Parece que esta vez es la vencida. Aunque todavía persisten algunas incógnitas, el coche eléctrico parece que ha vuelto para quedarse. Digo "vuelto" puesto que el coche eléctrico, basado en las baterías de plomo desarrolladas por Gaston Planté en 1859, fue la primera versión comercializada de automóvil, en 1884, e incluso la tecnología dominante hasta principios del siglo XX. Sin embargo, las mejoras en los motores de combustión provocaron el abandono, por coste y prestaciones, del coche eléctrico.

Más tarde, ya después de la Segunda Guerra Mundial, la preocupación por la contaminación y la escasez de petróleo reactivaron su interés. Diversas oleadas, en los cincuenta, los sesenta y a finales de los años setenta, del siglo pasado, dieron lugar a atrevidas pero tímidas propuestas de coche eléctrico. Pero implantar nuevas tecnologías cuesta, y más cuando no están maduras, como sucedió entonces.

El Nissan Leaf, el automóvil de mayor venta mundial, ha llegado ya a las 150.000 unidades

Ahora, sin embargo, la situación es incomparablemente diferente. Tanto, que las cifras de venta del coche eléctrico auguran la presencia irreversible de este tipo de automóviles. La incógnita será, en todo caso, el tiempo que tardará en ser dominante, y cuál será la versión tecnológica concreta de coche eléctrico que se acabará imponiendo.

La situación actual del coche eléctrico

El vehículo más vendido mundialmente, el Nissan Leaf, ha superado las 150.000 unidades a finales del 2014. Las ventas de Tesla, la revolucionaria empresa exclusiva de coches eléctricos, superaron las 20.000 unidades en 2013, y superarán las 30.000 en 2014. La compañía se ha embarcado incluso en la construcción de una megaplanta de fabricación de baterías, con el objetivo de desarrollar nuevas tecnologías, abastecer el creciente mercado y, a su vez, reducir los costes mediante economía de escala. Otras marcas, como Renault, BMW o Mitsubishi también comercializan, por miles de unidades, sus versiones de coche eléctrico. Y el resto de las compañías han anunciado sus versiones eléctricas para un futuro muy cercano.

Otro parámetro que permite calibrar el auge de la tecnología eléctrica es su presencia en el mundo de la competición. La Fórmula E se está desarrollando como la versión eléctrica de la Fórmula 1. Por otro lado, las 24 horas LeMans, con el Audi E–tron, e incluso la París–Dakkar, con modelos prototipo, son testigos del avance de la tecnología eléctrica en automoción.

La tecnología híbrida

La presencia moderna del coche eléctrico se inició, sin embargo, mediante una tecnología híbrida, aquella que combina un motor de combustión interna y uno eléctrico.

En 1997, el Toyota Prius inició su andadura comercial, después de un largo y complejo período de desarrollo de más de tres décadas. La dificultad principal a superar fue la "comunicación" entre los dos sistemas de propulsión, de modo que el vehículo seleccione la propulsión eléctrica, la de combustión, o ambas, en función de las necesidades de conducción o de las reservas de cada sistema. Sólo cuando la tecnología digital permitió acelerar, y simplificar, el funcionamiento combinado, fue posible lanzar comercialmente este tipo de automóviles.

Tesla S, uno de los modelos de la revolucionaria factoria dedicada exclusivamente a coches eléctricos.

Esta técnica intermedia está permitiendo un modesto pero consistente ahorro energético, sobre todo en tránsito urbano, allí donde el motor de combustión es menos eficiente. Consumos de menos de 5 litros cada 100 kilómetros son norma obligada, y cifras de 3 litros/100 km o menos, cada vez más frecuentes.

La apuesta pionera de Toyota ha encontrado, más recientemente, masiva respuesta en el resto de marcas. Son muy destacables, en este sentido, los anuncios recientes de BMW y Audi, por los que dotarán a toda la gama de vehículos de una versión híbrida enchufable.

Esta variante permite recargar el motor eléctrico a través de la red, por lo que el motor de combustión solo se necesita en viajes largos, o bien cuando se requiere mayor potencia. Se anuncia además que la parte únicamente eléctrica permitirá trayectos de hasta 100 kilómetros, más del doble de las prestaciones actuales.

El resultado son cifras de consumo realmente espectaculares, de tan sólo 1 litro/100 km, que evidentemente sólo son ciertas en trayectos cortos y, por supuesto, sin contabilizar el consumo eléctrico. La inclusión de este último, no obstante, da lugar a cifras equivalentes de consumo igualmente competitivas, de menos de 2 litros/100 km.

Las claves del éxito

¿Cuál es la clave tecnológica, que está permitiendo que el coche eléctrico consiga, finalmente, sustituir al coche de combustión?

El aspecto primordial es que las baterías actuales son mucho más potentes y más fiables que hace treinta años. Para ello ha sido básica la adopción, a partir de finales de los noventa, de la tecnología de ion–litio. Ésta ha permitido obtener más potencia, a igualdad de volumen y de peso, más durabilidad, gracias a que admite un número mucho mayor de ciclos de recarga, y finalmente proporciona unas prestaciones más fiables, puesto que el voltaje se mantiene muy constante dentro de cada ciclo.

La generación de electricidad corre a cargo de una reacción química en la que interviene el litio, un elemento químico más ligero que el agua. Su funcionamiento se basa en la transferencia del litio entre un soporte de carbono y uno de óxido de cobalto, manganeso o níquel. Durante esa transferencia, el litio modifica su estado, perdiendo una carga eléctrica. La pérdida de carga es la que genera la corriente que, a su vez, proporciona la energía para mover el motor eléctrico.

El proceso da lugar a un voltaje algo superior a los 4 voltios, que es casi el triple del que generan las pilas alcalinas, tan familiares en nuestro ambiente doméstico. El montaje en serie de diversas unidades permite obtener voltajes más elevados, como ya descubrió Alessandro Volta en su pila de cobre–zinc original, allá por 1800.

El ciclo de recarga induce el proceso exactamente inverso, es decir, la energía suministrada por el circuito permite transferir el litio en sentido opuesto, desde el soporte de óxido de cobalto, al de carbono.

Los soportes mencionados, junto con el litio, actúan a modo de electrodos, y se construyen en forma de láminas muy delgadas, entre las que se dispone una capa de material sólido, que permite cerrar el circuito y que desempeña una función importante desde el punto de vista tecnológico. Esta capa no contiene agua, lo que evita la formación de gases, por un lado, y las fugas de líquido, por otro.

Con la adopción de las baterías de ion–litio, las prestaciones de los coches eléctricos  admiten comparación con los coches basados en los motores de combustión, tan consolidados actualmente. Además, el coche eléctrico proporcionará, en un futuro que está más cerca que lejos, un atractivo conjunto de ventajas. ¿Cuáles son?

Las ventajas del coche eléctrico: mayor eficiencia y menos contaminación

En primer lugar, las baterías eléctricas, y los motores asociados, son mecánicamente mucho más simples y silenciosos que los motores de combustión. La corriente eléctrica creada por las baterías acciona un motor que genera directamente movimiento circular, siendo así mucho más sencillo, desde el punto de vista mecánico, transmitirlo al movimiento de las ruedas.

Por otro lado, el mecanismo básico de generación de energía, de obtención de corriente eléctrica, es bastante más eficiente que la combustión de los gases y el posterior impulso del pistón, en los motores de combustión. Teóricamente, los motores eléctricos podrían acercarse a rendimientos en torno al 90 %. La eficiencia se incrementa, además, por la capacidad de recuperar energía eléctrica durante el frenado.

En cambio, los motores de combustión tienen su límite alrededor del 30 %, y cifras reales menores al 20 % en las versiones más avanzadas. Esta eficiencia podrá mejorarse, en un futuro, mediante la recuperación de calor, ya sea con la incorporación de dispositivos basados en el ciclo Rankine, o bien mediante el uso de dispositivos termoeléctricos. Aun así, las cifras globales quedarán bastante por debajo de las correspondientes al motor eléctrico.

Finalmente, un aspecto muy relevante y significativo actualmente, la contaminación. De sobras es conocido el problema ambiental causado por los motores de combustión, incluso en sus versiones más limpias. La combustión implica emisión de dióxido de carbono, y con ello un más que probable calentamiento global, de consecuencias impredecibles.

El coche eléctrico, en cambio, no emite residuo alguno, siempre y cuando la electricidad requerida para recargar sus baterías se obtenga de una fuente sostenible, como la eólica o la solar. Por supuesto, si la electricidad necesaria, para recargar la batería, proviene de centrales térmicas, entonces no se elimina la emisión de dióxido de carbono.

En el peor de los casos, no obstante, el coche eléctrico sustituye la emisión dispersa de CO2, por una emisión concentrada, puesto que tan sólo emite la central que genera electricidad. La captura de este CO2 es tecnológicamente mucho más factible si la emisión es concentrada que si es dispersa. Ello es debido a que el gasto energético, para limpiar un aire muy concentrado en CO2, es muchísimo menor que la limpieza de ingentes volúmenes de aire con muy poco CO2.

Los inconvenientes: autonomía y recarga

Aun así, la generalización en la adopción del coche eléctrico, como forma de transporte mayoritaria, debe vencer dos dificultades mayores: la autonomía y el tiempo de recarga.

Los modelos actuales tienen un alcance máximo de 170 kilómetros, que serán menos de 140 si se circula a velocidades mayores. Muy recientemente, Mercedes ha anunciado el modelo Clase B Electric Drive, con un alcance máximo de 230 km. Los vehículos de la marca Tesla proporcionan autonomías mayores, de unos 350 kilómetros, que los fabricantes atribuyen a un mejor diseño del apilamiento de baterías. Aun así, es conocido que el "battery pack" de Tesla es más pesado y ocupa mayor volumen. En cualquier caso, son cifras aún modestas, que restringen el uso de estos vehículos a un ámbito poco más que urbano.

Es precisamente el peso de la batería el problema clave. Los diseños actuales proporcionan, como máximo, 200 watts–hora por cada kilo de batería. Esto es ochenta veces menos que la energía contenida en un kilo de gasolina, y una cifra suficientemente baja como para representar un problema de ingeniería: los coches eléctricos no tienen mayor autonomía por razones de peso...

El problema se origina en la densidad de energía, es decir, la energía por kilo de combustible. De hecho, fue esta cuestión la que provocó el abandono de las baterías de plomo, a principios de siglo XX: sólo proporcionan 40 watts–hora por kilo de batería, mientras que la gasolina proporciona 13.000 watts–hora por kilo, una cifra más de 300 veces superior.

No obstante, el problema del peso de las baterías es teóricamente solucionable, puesto que el exceso de masa proviene del soporte, y no de las substancias que proporcionan la corriente eléctrica. De ahí que se estén explorando nuevas tecnologías. Se han propuesto en este sentido diversas variantes, entre las que destacan las baterías de litio–aire, las de litio–azufre y las celdas de flujo.

Calibrar las posibilidades reales de estas tecnologías es muy difícil, puesto que confluyen expectativas de desarrollo, comercialización y, no lo olvidemos, notoriedad, tanto de empresas privadas como de equipos de investigación, que pueden empañar la claridad de las conclusiones. Dejaremos pues que el tiempo ponga las cosas en su sitio.

Otro inconveniente de la generación actual de vehículos eléctricos es el tiempo de recarga completo, que requiere varias horas si se utiliza la red convencional doméstica. Los sistemas más avanzados permiten recargar las baterías en un 80 %, en una media hora, un intervalo de tiempo aún elevado.

¿Por qué cuesta tanto tiempo, recargar las baterías?

El proceso de recarga se realiza aplicando una corriente eléctrica a la batería, induciendo así el proceso inverso. En el caso de las baterías de ion–litio, este proceso inverso corresponde a la carga del ion litio.

Si la recarga se llevara a cabo mediante una fuente de gran potencia, para acortar el tiempo, la batería se calienta, se degrada, y en casos límite puede llegar a arder.

Este calentamiento puede reducirse, no obstante, si la resistencia eléctrica de la batería disminuye. En este sentido, se han propuesto baterías en las que uno de los electrodos, o los dos, son de grafeno, el material del futuro. El grafeno está compuesto de láminas absolutamente planas de carbono, que le confiere una elevada conductividad eléctrica y térmica.

Hay que tener cautela, no obstante: asistimos con cierta frecuencia a anuncios de nuevas baterías de grafeno, que no dejan de ser simples experimentos de laboratorio, para los que les queda un largo trecho hasta su comercialización.

La apuesta de futuro: el hidrógeno

Las prestaciones del coche eléctrico mediante baterías de ion–litio son un problema, sobre todo si queremos salir del ámbito puramente urbano, o si se da un imprevisto que nos impida esperar el largo tiempo de recarga. Esta argumentación se utiliza muy frecuentemente para justificar el rechazo de la tecnología, y es de hecho lo que está impidiendo su definitiva consolidación.

El Toyota Mirai, la apuesta de la marca lider mundial por la tecnologia basada en la pila de hidrógeno.

Sin embargo, existe una alternativa, enormemente atractiva, y mucho más desarrollada de lo que se podría creer: los coches eléctricos basados en pila de hidrógeno.

En éstos, un depósito de hidrógeno, junto con el oxígeno del aire, suministran los reactivos que se necesitan para generar electricidad. El residuo es simplemente agua, que se expulsa al exterior. Al ser muy ligero, el hidrógeno proporciona una densidad de energía sin precedentes, de 40.000 watts–hora/kilo, almacenados en un tanque de fibra de carbono a presión.

Los vehículos basados en la pila de combustible de hidrógeno se empezaron a desarrollar a principios de los 2000, habiendo ya superado todas las fases de prototipo, demostración, pruebas de robustez, e incluso de optimización.

Por ejemplo, la pila requiere de un catalizador de platino, que acelera la reacción química básica. Las versiones más recientes han disminuido los requisitos de este preciado metal, reduciendo así el precio de la batería. Por otro lado, al desprender agua, su evacuación, así como el arranque en frío, son un problema, que también ha sido solucionado recientemente.

Para ello, marcas como Honda y Mercedes han tenido un par de centenares de unidades circulando durante los últimos 8 años, acumulando millones de kilómetros de experiencia. Muy recientemente se han anunciado nuevas versiones, como el modelo FCV de Honda, el Mirai de Toyota, presentado a finales de 2014, o el consorcio Mercedes–Nissan–Ford, con el modelo F–Cell, que esperan producir en serie en 2017. Volkswagen, una marca más reticente con esta tecnología, también ha anunciado su versión de hidrógeno, así como Hyundai.

El principal inconveniente de estos vehículos es la necesidad de desarrollar una red de suministro de hidrógeno, que permita así la recarga del depósito, de modo análogo a como se recarga hoy en día la gasolina o el gas–oil.

Las redes de distribución de grandes volúmenes de combustible son extraordinariamente costosas, por lo que su desarrollo requiere un enorme esfuerzo de coordinación entre las autoridades gubernamentales, a nivel internacional, y los operadores privados, tanto del sector energético como automovilístico.

De ahí la puesta en marcha de los programas oficiales HyFive, NOW y Clean Energy Partnership. Estos tienen previsto desplegar, antes de finales de 2015, una red de unas 300 "hidrogenoleras" en las principales capitales de Alemania y norte de Europa, California y Japón. Con ello se busca crear un círculo virtuoso y extender, a modo de mancha de aceite, las regiones abastecidas de combustible.

En cualquier caso, la sensación es que el disparo de salida del coche eléctrico ya hace tiempo que tuvo lugar. El tema es irreversible.

Se avecinan por tanto no pocos cambios, entre ellos una trascendente etapa de destrucción creativa, por la que muchos puestos de trabajo deberán modificarse, para adaptar sus servicios tecnológicos a la nueva realidad eléctrica.

En este sentido, destaca la puesta en marcha, hace poco más de un año, del Centro de Recursos del Vehículo Eléctrico, CREVE, situado en la localidad barcelonesa de Santa Perpetua de Mogoda, cuya febril actividad es signo de que algo definitivo está en marcha.

Actualización a 7 de Febrero de 2017

El mercado de vehículos eléctricos evoluciona tan rápido que las cifras mencionadas en el artículo han quedado desfasadas.  Actualizo aquí algunos datos.

Las ventas globales de vehículos enchufables, que incluyen los híbridos y sobre todo los puramente eléctricos, han ascendido a la nada despreciable cifra de 773600 unidades en 2016, un 42% más que en 2015. China ha sido el mercado principal, con 331000 vehículos, seguida de Europa, con 221000, USA con 157000 y el resto de países con 44000.  

Aunque la cantidad total sólo representa el 0.86% de los 90 millones de vehículos vendidos en 2016, el ritmo de incremento de ventas de los eléctricos es 20 veces superior, habiéndose triplicado en número absoluto desde 2013.  Si ese ritmo se mantuviera, en 2030 ocho de cada diez vehículos vendidos serían eléctricos.  Los países donde el porcentaje de vehículos eléctricos, respecto del total, es mayor son Noruega, con el 24%, Países Bajos, con el 5%, y Suecia, con el 3.2%.

Futuro Ilusionante

Vemos entonces que, globalmente, el sector evoluciona a gran velocidad.  Algunos datos adicionales que justifican tan optimista afirmación:

  • Los puntos de recarga se han multiplicado por 10 desde 2013
  • El coste de las baterías ha disminuído a la mitad en 3 años, aún sin contabilizar el efecto de la Gigafactoría de Tesla, que acaba de iniciar su producción.
  • Hablando de Tesla, su propuesta Model 3 ha recibido más de 400000 reservas en firme, incluso antes de presentar el modelo.  Un hecho sin precedentes en la historia de la industria del automóvil.
  • Las energías renovables, notablemente la energía eólica, ya son totalmente rentables.  En la Unión Europea, el objetivo de despliegue previsto para 2020 ya se alcanza en este 2017, de forma que muy pronto representará el 10% del total de energía eléctrica suministrada.

¿Y el hidrógeno?

Las perspectivas optimistas de principios de milenio, respecto del hidrógeno, no se van a cumplir, al menos a corto o medio plazo.  Parece, por tanto, que la batalla entre "hidrógenos" y "litios" se decanta a favor de éstos últimos, puesto que la implementación de una infraestructura eficiente y rentable, para el suministro de hidrógeno, es demasiado costosa.  Sólo tendrá sentido si los problemas de tiempo de recarga y autonomía, en los "litios", no se solucionan a medio plazo.

Artículos relacionados

Lee también en SciLogs

Xavier Giménez Font
Xavier Giménez Font

Profesor titular del Departamento de Ciencia de Materiales y Química Física, y miembro del Instituto de Quimica Teórica y Computacional, Universidad de Barcelona. Docente en química ambiental y química física de materiales, e investigador en simulación computacional de reacciones químicas con aplicación a I+D, y en innovación docente.  Divulgador científico, autor del libro El aire que respiramos (UB Edicions, 2018). 

Sobre este blog

La química de nuestro entorno desde una perspectiva global, que incluye su relación con las demás ramas de la ciencia, la tecnología, e incluso las disciplinas humanísticas. También se harán pequeñas incursiones en el mundo de la educación universitaria. Siempre al alcance de todos. Verás que la química es compleja, su mundo también, pero no tanto como pudiera parecer...

Ver todos los artículos (35)