Autos eléctricos: por qué la física puede atentar contra su crecimiento

Georg Simon Ohm nació en Prusia en 1789. Era el cuarto de 15 hermanos y su padre era maestro y pastor protestante. Ohm comenzó a estudiar ciencias naturales y matemáticas a una edad temprana, y más tarde se matriculó en la Universidad de Erlangen donde obtuvo su título en 1805. Después de graduarse, trabajó como profesor de matemáticas en una escuela secundaria y luego en una universidad. A pesar de tener éxito como profesor, Ohm también era un investigador apasionado y dedicó gran parte de su tiempo a la investigación científica.

En 1826, Ohm publicó su ley más famosa, conocida como la “Ley de Ohm”, que establece que la corriente eléctrica que fluye a través de un conductor es directamente proporcional al voltaje aplicado y a la resistencia del conductor. Esta ley es fundamental para el estudio de la electricidad y ha sido utilizada en la ingeniería eléctrica durante casi dos siglos, y es probablemente el límite más importante, e irresoluble que enfrenta la electromovilidad en la actualidad.

¿Por qué? Porque al ser una ley de la física, es mucho más difícil de abordar que otras restricciones vinculadas al comportamiento, la economía o el avance de la tecnología en general. En primer lugar, la eficiencia energética de un vehículo eléctrico está determinada en gran medida por la resistencia de sus componentes eléctricos.

Una de las principales barreras para el desarrollo de la electromovilidad es la baja autonomía de los vehículos eléctricos en comparación con los vehículos de combustión interna. Esto se debe, en parte, a la resistencia de los componentes eléctricos del vehículo, como el motor eléctrico y las baterías. Según la ley de Ohm, a mayor resistencia, menor será la corriente que fluye y, por tanto, menor será la cantidad de energía que se puede transferir. Esto significa que si se quiere aumentar la autonomía de un vehículo eléctrico, es necesario disminuir la resistencia de sus componentes eléctricos.

Sin embargo, reducir la resistencia también conlleva un aumento del costo y la complejidad de los componentes eléctricos. Por ejemplo, para disminuir la resistencia de un motor eléctrico, es necesario utilizar materiales de alta conductividad, como el cobre o el aluminio, lo que aumenta el precio del componente. Además, estos materiales tienen un mayor peso y ocupan más espacio, lo que puede limitar el diseño y la capacidad de carga del vehículo.

No cargarás (rápido)

Otra barrera para el desarrollo de la electromovilidad es la falta de infraestructura de recarga adecuada. Aunque cada vez son más comunes los puntos de recarga en las ciudades, todavía hay zonas donde es difícil encontrar un lugar donde recargar el vehículo. Esto puede desalentar a muchas personas a adquirir un vehículo eléctrico, ya que no quieren quedarse sin batería en medio de un viaje.

Aquí la ley resulta lapidaria: para cargar más rápido los vehículos necesitan transferir la mayor cantidad de energía posible en el menor tiempo, medida en Kilowatts/Hora. Esto se puede lograr básicamente de dos maneras: aumentando la cantidad de corriente, medida en amperes, que se suministra al vehículo o subiendo la tensión de carga, medida en volts. Los cargadores actuales se dividen en dos grandes grupos, los que funcionan con Corriente Alterna (la misma que recibimos en la red doméstica) o los que funcionan con Corriente Continua (la que reciben y suministran las baterías y la gran mayoría de los sistemas de almacenamiento de energía).

En el caso de la corriente alterna, no se trata de cargadores en el sentido completo de la palabra, porque ya mencionamos que los acumuladores sólo pueden recibir corriente continua, por lo que en este caso en realidad es una unidad instalada en el vehículo la que termina haciendo el proceso de rectificación (conversión a CC) y control de carga. Esto implica que podrá tener un peso y volumen limitado para no comprometer las prestaciones del vehículo y por lo tanto estará bastante limitado en sus prestaciones. En la actualidad los cargadores de CA no superan habitualmente los 7,6kw que ofrece una conexión trifásica domiciliaria, y eso en un vehículo con una batería de 70kwh puede significar más de 10 horas de carga, mermas mediante.

En el caso de la corriente continua, al ser fija y externa al vehículo la instalación se puede pensar en potencias superiores, pero no sin costo: las empresas eléctricas deberán realizar una acometida al sistema con instalaciones de CA de gran potencia, incluyendo instalaciones de media y alta tensión, lo que supone costos adicionales de tendido y transformación eléctrica.

Además, los grandes rectificadores suman sus propias necesidades de instalación, disipación de calor y aislación, que suben en tanto lo hacen los requerimientos de potencia. Hoy podemos encontrar disponibles a nivel global instalaciones que van comúnmente entre los 25 y 150KW de potencia por boca de carga, que se multiplican en tanto suba la cantidad de estas.

Finalmente, si hemos podido llegar a abastecer al sistema de carga, la ley de Ohm aún resultará vinculante para el proceso de conexión en sí: si deseamos aumentar la potencia mediante más corriente, se requerirán conductores cada vez más gruesos; si deseamos aumentar la tensión (hoy existen vehículos con voltajes internos de funcionamiento hasta los 800 volts) necesitaremos ser muy cuidadosos con las aislaciones y los sistemas de gestión para evitar indeseables y potencialmente peligrosos arcos eléctricos. En cualquier caso, todo suma a los costos de la instalación y conspira contra los tiempos de carga rápida.

Un tema que escapa en parte al Señor Ohm, pero que también suma incomodidad son los límites de las baterías en sí a la hora de plantear un esquema de carga rápida. El uso de grandes potencias en relación a la capacidad total de la batería puede inducir a reacciones exotérmicas que perjudican la vida útil de la batería y que deben ser controladas, y además, el ciclo de carga de baterías como las de Litio que hoy representan la gran mayoría del parque instalado comprende una fase rápida en la cual admiten plena carga, y otra más lenta cuando se ha alcanzado el voltaje máximo de funcionamiento, donde merma la capacidad de recibir corriente y por lo tanto el proceso se vuelve notablemente más lento.

Más allá de los límites

Dadas estas condiciones, ¿cómo hacemos para poner en caja a la ley de Ohm y sus adyacencias? Para empezar, entendiendo su existencia perentoria, y pensando estratégicamente el sistema de electromovilidad, con su conjunto de tecnologías y sus necesidades concretas. La mayor parte de los vehículos no necesitan completar la totalidad de su carga para el uso urbano habitual y deberán ser repostados en horario nocturno.

En un futuro un poco más lejano, y bajo un escenario de abundancia energética (del que hablaremos en otra columna), el hidrógeno como vector energético puede permitir también tiempos más acomodados de carga. Si bien requiere una infraestructura completamente diferente, como elemento químico que es no está sometido a los límites de esta ley de la física en particular.

Además, si bien no existen aún baterías que puedan ser recargadas en cinco minutos, ni instalación que lo permita, sí hay alternativas que podrían resultar en tiempos equivalentes: En particular el reemplazo rápido de baterías, una tecnología que si bien se ha ensayado no ha logrado ser exitosa entre otras razones por el elevado nivel de consenso y estandarización que requiere. Como excepción a este caso podemos mencionar a los ciclomotores Gogoro, que han logrado cierto suceso en mercados del sudeste asiático.

Y ahí es donde también podemos encontrar algunas pistas desde una perspectiva de desarrollo: los desafíos que requiere una red de carga para automóviles no son los mismos que presenta los vehículos unipersonales como bicicletas, monopatines o motocicletas. De una adecuada gestión de estos segmentos puede aparecer un foco de esperanza para expandir la movilidad limpia en Latinoamérica.

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