Estudio de consumos para vehículos eléctricos en la Ciudad de México

MSc. Alfonso Abogado Morales, Dr. Alfredo Santana Díaz.*

Con la intención de reducir los niveles de contaminación del aire, el Gobierno de la Ciudad de México, a través de la Secretaría de Ciencia, Tecnología e Innovación (SECITI) de la CDMX, invitó a un grupo de empresas mexicanas al desarrollo de un taxi eléctrico para la ciudad capital. El objetivo del presente documento es medir el impacto económico que representan los consumos eléctricos de algunos prototipos de dicho vehículo eléctrico (VE). Se desarrolló el estudio del precio de la energía eléctrica y el estudio de eficiencia de dichos prototipos a siete años, pensados según estimaciones de tiempo de depreciación y vida útil del vehículo. El trabajo comprende cuatro importantes cuestiones a considerar a través de diferentes estudios: ¿Cuáles son los consumos del vehículo durante su operación (Wh/km)? ¿Cuánta energía necesita el vehículo para satisfacer dichos consumos? ¿Cuál es el mejor precio de energía que se puede obtener en México? ¿En términos de consumo, es más económico conducir un vehículo eléctrico o uno de combustión interna?

Eficiencia de carga y estudio de consumos durante su operación

La eficiencia de carga se obtuvo con base en la metodología planteada por la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU) para la medición de carga en vehículos eléctricos. Se realizaron mediciones a través del sistema de control de las baterías (BMS) y utilizando un registrador de datos externo en la entrada y salida del rectificador; se obtuvo una eficiencia máxima de carga del 93%.

Referente a los consumos durante la operación, el estudio consistió en la conducción y medición eléctrica del vehículo a través de una ruta preestablecida hasta la descarga del mismo, considerando la descarga del vehículo al llegar a menos del 20% en el estado de carga de las baterías. Obtenemos como resultado: el consumo total de energía, los patrones de consumo para ciudad Wh/km, la velocidad máxima y una estimación de la autonomía. En los resultados se observa una distancia recorrida de entre 95 y 115 km, así como los siguientes patrones de consumo para dos prototipos.

En el caso del primer prototipo con una velocidad no mayor a 80 km/h y un consumo total de 28.7 kWh considerando los efectos del freno regenerativo (al momento de frenar recupera energía que vuelve a almacenar en las baterías), se obtuvo un valor promedio de 288.99 Wh/km. Mientras en el segundo, se observa un consumo total de 18.95 kWh y 167.19 Wh/km promedio.

Estudio de costo de energía

Asumimos un escenario de carga doméstica con una potencia de carga de 1,500 Watts y 26,296 Wh requeridos, considerando estado de carga superior al 20% y pérdidas del rectificador. Se consideran tres alternativas para obtener la energía requerida: a través de compras convencionales a la red, producción por paneles solares fotovoltaicos (PV) aislados y el esquema de PV en generación distribuida conectada a la red. Para poder realizar el estudio se investigó el precio y disponibilidad del equipo fotovoltaico; se realizó un estudio de radiación solar a partir de diversas bases de datos, obteniendo un aproximado de 1,892.79 horas solares pico al año; y la normativa referente tanto a generación distribuida como carga doméstica de VE. (RES/142/2017, CFE-BP-56/16vf)

Costo de energía proveniente de la red

Para poder estimar la variación en el precio de la energía para la Tarifa 2 de CFE, requerida por la normativa presentada en el boletín CFE-BP-56/16vf, se optó por una aproximación estadística para el pronóstico y se utilizaron series de tiempo con los últimos 16 años de datos y el método ARIMA para obtener un pronóstico adecuado. Considerando los intervalos de confianza de 95% para el pronóstico, observamos los siguientes resultados en valor presente de la inversión y costo de energía medio.

Costo de energía para sistemas fotovoltaicos aislados y en generación distribuida

Utilizando software especializado para el dimensionamiento de instalaciones fotovoltaicas e información estadística especifica del mercado mexicano concluimos que es necesario tener una Potencia de Campo de Paneles de 6.5 kW ante una potencia instalada (Potencia de Inversor) de 4 kW para obtener el mayor rendimiento económico. El costo actual neto se estima en 127,332 pesos para 7 años, y el costo medio de energía en 2.292 pesos/kWh.

Por otra parte, en un sistema aislado se debe tomar en cuenta no solo las baterías necesarias para poder entregar la energía requerida sino también, el horario en que se cargará el vehículo y la potencia de carga como factores determinantes del tamaño de instalación. Bajo el esquema de carga antes mencionado y considerando carga nocturna (peor escenario posible) se procede a dimensionar la instalación. Se requiere una Potencia de Campo de Paneles de 9 kW, potencia instalada de 2 kW y un arreglo de 54 baterías de 205 Ah cada una. Se estima un costo actual neto de 161,324 pesos y un costo de energía de 2.906 pesos/kWh.

Comparativa económica en consumos de vehículos eléctricos contra combustión interna.

Tomando en cuenta el óptimo precio de la energía obtenido de 2.292 pesos/km para los VE y los resultados de eficiencia, presentamos la siguiente tabla para los 2 prototipos de VE antes mencionados:

Se obtuvo información estadística de consumos medios, en pesos/km, de vehículos de clase sub-compacto y aquellos utilizados como taxi en la Ciudad de México, a partir del ?Portal de Eficiencia Energética y Emisiones Vehiculares? del Instituto Nacional de Ecología y Cambio Climático (INECC). El precio de la gasolina considerado por el portal, aunque actualmente no el más atinado, es de 17.77 pesos por litro y es utilizado para estimar las inversiones en consumo. El vehículo más eficiente de clase subcompacto es el SMART Micro con 18.62 km/litro y 0.9543 pesos/km; el de menos eficiencia en la misma categoría es el Peugeot 207 Berlina, 9.31 km/litro y 1.9087 pesos/km. Por otra parte, uno de los vehículos más comunes utilizados como taxi en la Ciudad de México, el Nissan Tsuru, obtuvo 12.96 km/litro y 1.3711 pesos/km.

A raíz del estudio comparativo a siete años se determina que, pensando sólo en los consumos, es más económico conducir un VE a uno de combustión interna como taxi en la Ciudad de México. Sin embargo, sería ingenuo dar por hecho que su precio comercial, entre otras cosas, es igual de competitivo. El precio de los VE estudiados es confidencial. Sin embargo, es posible estimar cuál debe ser el precio límite que pueden tener para que, en las condiciones de operación planteadas, sea mejor comprar un VE. Asumiendo un modesto recorrido anual de 15,000 km, comparamos cuál sería la inversión total en energía para ambas partes. Utilizando el precio de venta comercial de la muestra de vehículos de combustión interna se estimó una inversión a siete años considerando el precio del vehículo y la gasolina que consumirá*. Una vez obtenido este valor, podemos calcular el precio teórico máximo para el VE, al restar a este total el costo de la electricidad que consumirá en el mismo tiempo, en vez de gasolina.

Este valor es significativo tanto para futuros compradores como para armadoras a la hora de determinar restricciones de diseño de nuevas propuestas solamente en las condiciones de uso previamente propuestas. Por otra parte, permite comprender la importante relación que existe entre la viabilidad económica del VE y el nivel de operación al que se someterá. En otras palabras, gracias al menor precio en su combustible, en la Ciudad de México el VE será más o menos viable en función de la cantidad de kilómetros que recorra.

A manera de conclusión

Los prototipos de vehículos eléctricos estudiados tienen un comportamiento similar al de la mayoría de vehículos eléctricos comerciales en ciudad y el sistema de freno regenerativo ayuda a aumentar su autonomía. Al analizar el precio de la energía eléctrica en la Ciudad de México, observamos que el mejor precio se obtiene instalando páneles solares conectados a la red. Podemos evitar el costo de las baterías y la necesidad de instalar una gran cantidad de páneles para obtener la potencia deseada pues, gracias a la red, la cantidad de energía que se consume es lo único que nos interesa satisfacer. Por último, al comparar el dinero que se invierte en gasolina contra el que se invertirá en electricidad, vemos que será más barato ?llenar el tanque? del VE y con el dinero ahorrado podría ser mejor idea comprar un VE si lo comparamos con los vehículos de combustión interna antes mencionados y el precio del VE llega a ser menor al mencionado en la tabla.

Otros aspectos a considerar para ver al VE como un serio contendiente capas de desplazar por completo al vehículo de combustión interna son: la autonomía, el tiempo de carga, la vida útil de las baterías y la cuestión de la acelerada devaluación en VE usados. Sin embargo, el desarrollo tecnológico, particularmente en el diseño de almacenamiento energético, y también políticas gubernamentales pro-renovables alrededor del mundo nos permite tener expectativas muy positivas respecto al futuro cercano del VE.

(*) Queda pendiente considerar el pago de seguros, tenencias y cualquier posible aporte o incentivo gubernamental en adquisición de VE.

(*) Ingeniero Mecánico Eléctrico por parte del Tecnológico de Monterrey Campus Estado de México (2016) y posee el grado de Maestro en Energía Renovable (2017) por parte de la Universidad de Zaragoza y la Asociación Europea de Centros de Investigación en Energía Renovable, EUREC; así mismo, cuenta con la especialidad en Integración en la Red por parte de las mismas instituciones.Desarrolló su tesis de Maestría en el Centro de Investigación Mecatrónica Automotriz del Tecnológico de Monterrey Campus Toluca como investigador invitado en el área de vehículos eléctricos. Actualmente es Ingeniero de Proyectos en Eficiencia Energética para la empresa IMMAC Equipos de Resguardo S.A. de C.V. (**) Ingeniero en Sistemas Electrónicos y Control por parte del Tecnológico de Monterrey (1993). Posee una Maestría en Sistemas de Manufactura (1996) otorgada por el mismo instituto. Asimismo, una Maestría en Control y Ciencias de Computación por la Paul Sabatier Université (1999). Posee un PhD en Control y Sistemas (2003) de la misma universidad y desarrolló su trabajo de investigación en LAAS-CNRS, aplicado a la detección de impedimentos del conductor usando ondículas y aprendizaje estadístico. Desde 2003 ha trabajado en el ITESM Campus Toluca. Actualmente es profesor de tiempo completo y colaborador en el Centro de Investigación Mecatrónica Automotriz del ITESM Campus Toluca, en materia ambiental y de consumos energéticos en vehículos.