VÍCTOR CARDADOR I Delegado de Urbaser en Barcelona
La movilidad eléctrica en los servicios urbanos presenta grandes ventajas como son la reducción de las emisiones, de consumo y de la contaminación acústica, pero asimismo presenta algunas dudas. En este artículo se exponen los principales retos a los que la movilidad eléctrica ha de hacer frente en un entorno de servicios, como son, la autonomía, la recarga del equipo y la fiabilidad del conjunto del sistema.
1. Introducción
Los servicios urbanos[1], generan un gran impacto en los núcleos urbanos y son, con diferencia, la mayor partida de gasto de los gobiernos municipales. Por este motivo, el modo en el que se presten dichos servicios tiene un papel clave en la acción de gobierno de las administraciones locales.
Por una parte, como factor ejemplarizante, y por otra como palanca tecnológica de cambio para el resto de actores de las ciudades, véase, servicios de reparto, transporte de pasajeros individuales y colectivos y sobre todo también la movilidad individual de los propios ciudadanos.
En esta segunda línea de acción, la gestión adecuada de la movilidad de estos servicios condiciona de manera directa la reducción de gases de efecto invernadero para luchar contra la emergencia climática y la reducción de partículas en suspensión y óxidos de nitrógeno para reducir los impactos negativos sobre la salud de las personas que viven o trabajan en los núcleos urbanos.
Aunque la mejora de la tecnología nos permite cada vez más tele-gestionar algunas acciones, por la naturaleza de los propios servicios, en la mayoría de las ocasiones han de ser prestados “in situ”. En estos casos, el ruido, el impacto visual, la afectación al tráfico y la contaminación atmosférica, entre otros, son el objeto de profundo estudio y análisis desde hace años para su reducción por parte de los diferentes agentes implicados, empresas y administraciones.
En este artículo se pretende analizar por qué se consideran a estos servicios como palanca de cambio tecnológico y un gran vector de introducción y consolidación de la movilidad eléctrica en las ciudades. Y cuáles son los principales retos a los que se enfrenta la electrificación de flotas municipales de gran tonelaje.
2. Las ciudades están enfermas. El porqué de la movilidad eléctrica en los servicios urbanos
Son numerosos los estudios que refieren muerte y enfermedad prematura en un número elevado de ciudadanos del mundo por la contaminación atmosférica del aire de sus ciudades. Incluso no hay que profundizar científicamente en la literatura escrita al respecto, en el momento que los ciudadanos, “motu proprio”, evitan ciertas calles, evitan hacer deporte a ciertas horas en ciertos lugares e incluso han de llevar mascarilla para sentirse seguros, es que el ser humano ya ha tomado conciencia del gran problema de contaminación que tenemos actualmente y que amenaza de manera cierta la evolución humana tal y como la hemos conocido hasta la fecha.
Los servicios urbanos son vistos por el ciudadano como una parte importante del retorno que reciben de sus contribuciones municipales por parte de las administraciones, y en cierta medida, son considerados como propios por parte de los vecinos-contribuyentes, de esta forma las quejas que formulan o las valoraciones que hacen los mismos con claros ejemplos de esta percepción. En esta línea, la acción de gobierno, entendida en el ámbito local como aquellas acciones que impactan en el ciudadano han de ser percibidas por éste como modernas, adaptadas a sus necesidades, y en último término, a la vanguardia tecnológica.
Siendo la prestación de los servicios uno de los ámbitos de mayor coste presupuestario de las administraciones locales, se hace necesario que dicha prestación se realice de la mejor manera posible, es decir, reduciendo las molestias y los impactos al ciudadano, participando de una ciudad alineada con los intereses de sus habitantes y visitantes, en definitiva una ciudad acogedora.
Para ello, los servicios urbanos, necesitan una maquinaria específica y diversa para poder ser prestados, de tal forma que existen vehículos con chasis desde 1t a las 32 t de M.M.A. que embarcan diferentes equipos (prensas, grúas, compresores, motores auxiliares, etc) y tecnologías (gps, dataloggers, sistemas de guiado automático, etc). De esta manera, tanto las necesidades de desplazamiento como la demanda energética pueden ser muy diferentes, como sería el caso de un vehículo de jardinería, que se sitúe al inicio de la jornada laboral en un parque y prácticamente no tenga movimiento al largo de la misma frente a un recolector de residuos que realice 60 km dentro de la ciudad recogiendo 200 contenedores y otros 40 km para ir a descargar a la planta.
“Nos encontramos en un escenario muy heterogéneo tanto en el tamaño de los chasis de los vehículos así como en el tamaño y tipología de battery packs.”
Por lo tanto, nos encontramos en un escenario muy heterogéneo tanto en el tamaño de los chasis de los vehículos así como en el tamaño y tipología de battery packs, y de las tecnologías y equipos embarcados.
Sin embargo, a pesar de estas dificultades tecnológicas de adaptación a los servicios, las dos grandes preocupaciones en la movilidad eléctrica, la autonomía y la gestión de la recarga pueden resolverse para cualquier servicio planificado que se gestione con flotas cautivas.
En el caso de la autonomía, ya desde la fase de diseño del servicio: confección de ruta, puntos de paso, acciones a realizar, capacidad de carga útil, tiempo invertido, etc., podemos determinar la demanda energética necesaria, e incluso limitarla en caso de necesidad. De esta forma podemos diseñar los battery packs en función de la necesidad energética real, evitando sobrecargar el vehículo con baterías no necesarias y reduciendo la inversión inicial en la compra del vehículo en el que el peso del coste de las baterías es el factor clave.
En el caso de la recarga puede resolverse instalando un sistema de gestión de la recarga adecuado en la base de operaciones de los servicios, en ocasiones privada, en ocasiones municipal.
Dicho sistema de recarga ha de ser eficiente, fiable, adaptativo y completamente monitorizable [2].
“Un sistema de recarga con una demanda de servicio tan intensiva y exigente, necesita ser robusto y eficiente energéticamente.”
Un sistema de recarga con una demanda de servicio tan intensiva y exigente, necesita ser robusto y eficiente energéticamente, siendo aconsejable por lo tanto, que disponga de todos los dispositivos necesarios para asegurar el suministro, capaz de activar la carga en automático en función de la necesidad de cada vehículo sin afectar a la calidad de la red. Ha de ser adaptativo, ya que el servicio que se presta evoluciona de manera constante con la incorporación de nueva maquinaria y nuevos sistemas de trabajo, por lo que la flexibilidad del sistema es necesaria para el éxito del mismo.
Para un control total del proceso la monitorización ha de ser completa para conocer estado de la carga, incidencias en la misma, consumo y por lo tanto ahorro de emisiones. Toda esta información ha de poder ser visualizada en tiempo real, permitiendo además hacer co-partícipes de esta eficiencia a todos los agentes internos que intervienen en el proceso (mecánicos, verificadores, técnicos y por supuesto los conductores de estos vehículos).
La monitorización del sistema inteligente de recarga, que permite controlar de manera sencilla dicha operación, obteniendo datos cuantificados que servirán como instrumentos de mejora y avance. Permitiendo en tiempo real la:
Supervisión de la totalidad de los procesos y de las correspondientes protecciones.
Detección de anomalías del cargador y las baterías.
Elaboración de informes gráficos de los sucesos, del número de cargas, de las tensiones, de intensidades, de potencias, etc.
Una vez verificado que las grandes preocupaciones de la movilidad eléctrica desde un punto de vista de riesgo operacional son la autonomía y la gestión de la recarga, podemos también añadir que la adaptación a los servicios a prestar es posible, numerosos ejemplos en nuestro entorno más cercano así lo atestiguan, vehículos de gran tonelaje 100% eléctricos para la recogida de residuos y para los servicios de alcantarillado en Barcelona, cajas abiertas para jardinería en el AMB, cabezas tractoras eléctricas para el Bicing o barredoras eléctricas para los servicios de limpieza viaria en el Puerto de Barcelona.
La otra gran ventaja es que en la mayoría de los casos estos contratos se prestan en régimen de concesión por una duración determinada, normalmente y dependiendo del contrato entre 4 y 10 años de duración. Por este motivo, en un ámbito cuya evolución técnica y mejora en las prestaciones está yendo de manera muy veloz, la renovación de la flota y su tecnología asociada es permanente y permite estar en cada momento a la vanguardia tecnológica.
El caso catalán
En el caso de Cataluña, el trabajo que vienen realizando desde hace años las administraciones y las empresas en este ámbito es muy importante; no es casualidad que en España los grandes ejemplos de sistemas de movilidad eléctrica aplicada a los servicios urbanos se den en Barcelona y su área metropolitana.
Los factores son varios algunos de los cuales enumeraremos a continuación,
Una administración concienciada
Una administración consciente del problema de la contaminación atmosférica, de cuáles son los servicios que desea y de cómo la tecnología es capaz de ofrecerlos ya en este momento. Audacia, valentía y conocimiento profundo del mercado es lo que permite esta realidad. Sin embargo, las propuestas que valoren el precio de compra por encima del resto de conceptos están condenadas a soluciones antiguas, obsoletas y contaminantes.
Un sector innovación enfocado
Sector innovación muy potente en el ámbito de la electrónica de potencia, la gestión energética, o el desarrollo de sistemas de powertrain y recarga de vehículos eléctricos. CICTEA, IREC e IDIADA son claros ejemplos de ello.
Una colaboración público-privada ejemplar
ICAEN, como instituto de referencia para la propuesta de ayudas a la puesta en marcha de nuevos modelos de movilidad y gestión de la energía.
La plataforma Live como claro ejemplo de puesta en común de conocimientos y alinear esfuerzos entre el sector público y privado para desarrollar y consolidar una nueva propuesta de movilidad para Cataluña.
Un sector privado valiente e innovador
Un sector privado de empresas punteras en toda la cadena de valor del vehículo eléctrico que han entendido que el futuro en la movilidad va por el camino de lo eléctrico, mirando ya en el horizonte cercano la pila de combustible como una realidad a las puertas. Y que de la mano de las administraciones, del sector de innovación (universidades y centros de investigación) y de las plataformas de colaboración público-privada está desde hace tiempo proponiendo nuevos modelos de movilidad en las ciudades y en los servicios públicos que se prestan en las mismas.
3. Ventajas y dificultades para la prestación eléctrica de los servicios urbanos
Como se ha comentado en el apartado anterior, los dos riesgos operacionales mayores en la movilidad eléctrica: autonomía y gestión de la recarga pueden resolverse en los servicios públicos, si bien, son dos riesgos en los que hay que profundizar para buscar las soluciones óptimas en cada caso. Además hay otros aspectos que conviene analizar con cierta pausa para poder implantar estos nuevos modelos.
Una vez dimensionada la demanda energética, hemos de definir el tipo de baterías y calcular el tamaño del battery pack necesario para los servicios diseñados.
A continuación, en función del número de vehículos y del patrón de carga necesario, en función de los horarios en los que nuestros vehículos estén parados, hemos de prever que nuestros vehículos tendrán los cargadores adecuados y que el sistema de carga tendrá la potencia suficiente para poner en carga a la vez los equipos necesarios. Cuando hablamos de flotas de 3,5t o menos no deberíamos tener problemas para incrementar la potencia contratada en caso de necesidad, aunque haya que dimensionar la instalación eléctrica de manera adecuada, pero cuando hablamos de vehículos grandes que alojan entre 200 y 300 kWh de baterías, la situación se complica, y hemos de hablar con la empresa distribuidora puesto que el impacto en su red puede ser importante.
En un ejemplo tipo, para una flota de 20 camiones de gran tonelaje que hayan de prestar servicio en el mismo turno, que embarquen entre 200 y 300 kWh de baterías, se necesitarían cargadores de más 50 kW cagando de forma simultanea entre 5 y 6 horas, que es el tiempo que el vehículo está parado, y por lo tanto más de 1MW de potencia simultanea además de los consumos propios de las instalaciones, con lo que eso implica a nivel de estructura de red. Hay que remarcar que normalmente este tipo de cocheras se encuentran en zonas urbanas, densificadas, donde la capacidad de las redes de distribución en muchos casos está cerca de su capacidad máxima.
Al tratarse de un sistema escalable, para una ciudad como Barcelona podríamos estar hablando de 500 camiones de gran tonelaje prestando diferentes servicios públicos, eso significa que estaremos moviendo en torno a 120 MWh de energía por la ciudad a lo largo de una jornada laboral. Evidentemente, esta cantidad de energía correctamente almacenada y en movimiento nos permite pensar en un nuevo modelo de distribución de la energía que podamos usar cuando queramos en el lugar que se determine, aprovechado los nuevos sistemas de V2G o V2B.
“Un dimensionamiento óptimo de la instalación, un patrón de carga muy bien definido en función de los horarios de trabajo y una monitorización permanente del proceso de carga se hacen indispensables para garantizar la consistencia de un servicio público basado en vehículo eléctrico.”
Por lo tanto, un dimensionamiento óptimo de la instalación, un patrón de carga muy bien definido en función de los horarios de trabajo y una monitorización permanente del proceso de carga se hacen indispensables para garantizar la consistencia de un servicio público basado en vehículo eléctrico.
Otro de los factores que hemos de tener en cuenta es la conducción eficiente, según los ensayos en prueba real, una conducción eficiente puede llegar a ahorrar un 55% de energía en casos extremos y entorno a un 25-30% de promedio. Tomar en consideración este punto puede convertir el modelo en económicamente viable o no. Será un aspecto prioritario para parte de las empresas prestadoras de servicios de dotar de la formación adecuada en conducción eficiente a sus conductores, y de monitorizar a través de dataloggers en los vehículos el comportamiento de operación del vehículo, tanto a nivel de seguridad como de eficiencia en la conducción.
Precisamente, el ámbito de la seguridad es otro de los factores a tener en cuenta, hablamos de vehículos silenciosos prestando servicios en nuestras calles, interactuando por lo tanto con los vecinos y visitantes, por lo que se han de extremar las medidas de seguridad activas y pasivas para evitar cualquier contratiempo. Dentro de estas medidas, estarían, las señales acústicas para los peatones, los sensores de detección de presencia, los sistema de mejora de la visibilidad, con o sin cámaras auxiliares, desde la posición de conductor de todo el contorno del vehículo, etc., medidas que han de ser implementadas de la mano del cambio en el modelo de conducción.
Por último, para poder prestar un servicio urbano basado en movilidad eléctrica es necesario dotarse de un sistema propio de seguimiento, supervisión y diseño de los vehículos, idealmente incluso mantenimiento de la parte eléctrica de los mismos, para garantizar la consistencia del servicio. Este hecho abre a las empresas nuevos modos en la gestión de sus talleres de mantenimiento en los que la mecánica clásica abre paso a nuevos perfiles, electrónicos, eléctricos, donde la electrónica de potencia, la electricidad y las comunicaciones pasan a tener peso específico dentro de los costes de mantenimiento de los equipos y obliga a la empresas adaptarse internamente a una nueva realidad.
4. La reducción de emisiones de co2 gracias a las flotas municipales eléctricas. Cálculo estimativo para Barcelona
La utilización de combustibles alternativos en los vehículos de los servicios urbanos es un factor determinante para reducir la contaminación atmosférica y sonora en las ciudades. Las ventajas medioambientales con los vehículos eléctricos son evidentes. A la reducción drástica del nivel sonoro, quedando solamente el ruido de rodadura al eliminarse la rumorosidad del motor, se le añade la reducción de la contaminación atmosférica, con la eliminación de la emisión de partículas contaminantes y la reducción de emisiones de CO2.
Para poder estimar de manera global una flota municipal tipo indicaremos la reducción de emisiones de manera unitaria en las 3 principales tipologías de vehículos para estos servicios.
Chasis de menos de 2t. Vehículo tipo Piaggio Porter o Nissan NV200.
Chasis de 3,5t. Vehículo tipo Nissan Cabstar.
Chasis de 26t. Vehículo tipo Iveco Stralis.
Tomaremos como referencia los ahorros de emisiones tomando el mix energético español actual[3] como base de cálculo de las diferencias en las emisiones de eléctrico frente a diésel, calculados de manera empírica mediante un sistema inteligente de recarga que abastece en este momento a una de las empresas prestadoras del servicio de limpieza viaria y recogida de residuos de Barcelona.
En cuanto al consumo energético los datos empíricos refieren también una reducción de consumo energético drástica. A modo de ejemplo en la siguiente figura (1) se compara el consumo energético para un vehículo de caja abierta de chasis de 3,5 t y otro de 2t eléctrico frente a uno diésel para una distancia recorrida de 100km.
Chasis de 2t o menos: Piaggio Porter o Nissan NV200
Figura 2. Nissan NV200 electrica con caja y Piaggio Porter con volquete.
Los vehículos pequeños son los que realizan muchas de las tareas en las que la demanda energética es baja ya que por peso no suelen llevar equipos auxiliares embarcados, lo que genera por lo tanto un menor peso relativo de las diferencias en emisiones frente a los vehículos diésel.
Sin embargo son los más fáciles de implantar en una flota eléctrica tanto desde el punto de vista operativo como desde el punto de vista económico [4].
Si estimamos un número de Km. anuales entre 10.000 y 15.000 y un ahorro cada 100 km frente a vehículo equivalente de unos 20 kg tendremos unos ahorros anuales de entre 2 y 3 t de emisiones de CO2.
Para la ciudad de Barcelona si estimamos un número aproximado de vehículos en la ciudad: 700- 800 unidades tendremos unos ahorros totales de CO2 de entre 1.400 y 3.200 t /año.
Chasis de 3,5t: Vehículo tipo Nissan Cabstar.
Figura 3. Nissan Cabstar con volquete y plataforma y Renault Maxcity con equipo hidropresión.
Los vehículos de 3,5t son los más versátiles y debido a su tamaño pueden embarcar equipos auxiliares pequeños y su grado de uso es más intensivo durante la jornada laboral gracias a sus prestaciones, son por lo tanto los más habituales en los servicios urbanos. Desde un punto de vista económico gracias a los menores costes de explotación, si se realizan entre 20 y 25.000 km al año se alcanza el punto de equilibrio frente a los vehículos diésel en unos 10-12 años en estos momentos, si bien la evolución en el coste de la baterías hace pensar que el punto de equilibrio estará por debajo de los 10 años en el corto plazo.
En cuanto a la reducción de emisiones, teniendo en cuenta que aproximadamente la emisión de CO2 está en 40 kg por cada 100 km, y que cada año un vehículo de estas características realiza entre 15.000 y 25.000 km/año, la utilización de un chasis de 3,5t eléctrico frente a uno diésel proporciona unos ahorros de entre 7 y 12 t de CO2/año.
Si pensamos que en una ciudad como Barcelona el número de vehículos de estas características de los servicios urbanos debe estar entre las 800 y las 1.200 unidades tendremos que el ahorro en emisiones solamente de esta tipología, que si bien es la más numerosa pero es de tamaño pequeño, estaría entre 5.772t y 14.430 t de CO2 al año.
Chasis de 26t. Vehículo tipo Iveco Stralis
Figura 6. Recolector carga trasera y Camión cuba de 20m3 .
Los vehículos de 3 ejes y 26 t son los más habituales dentro del gran tonelaje[5], En éstos vehículos es habitual que sobre el chasis lleven un equipo cuya demanda energética puede alcanzar entre el 20% y el 40 % de la demanda total del servicio (equipo y tracción), por este motivo el peso relativo de las diferencias de emisiones tienden a ser mayores cuanto mayor es el vehículo.
En el caso de un vehículo de grandes dimensiones la diferencia unitaria es mucho más notable, en el caso de un vehículo de 26 toneladas que realice de promedio turno y medio de trabajo al día (promedio habitual en estos servicios) permitiría ahorrar unas 96 toneladas de CO2 al año por equipo.
Si estimamos entre 400-500 vehículos de estas características en una ciudad como Barcelona estaríamos en un ahorro total estimado al año de unas 40.000 toneladas de CO2 al año.
Como puede observarse con la electrificación total de los vehículos de servicios públicos de Barcelona se podrían reducir por encima de 50.000 toneladas de CO2 al año. Este número además podría incrementarse notablemente si somos capaces de utilizar energías renovables para la recarga de dichos vehículos.
5. Retos para la electrificación de flotas municipales de gran tonelaje
En el caso de los vehículos pequeños, de menos de 3,5 t, no hay justificación ni técnica: autonomía y recarga garantizada -como hemos comentado anteriormente- ni económica: el menor coste de explotación, un 25% menos de mantenimiento y un coste energético entre 5 y 6 veces más barato compensan el sobrecoste de inversión inicial en un periodo de tiempo inferior a 10 años, para que las administraciones no obliguen a través de sus concursos a solicitar este tipo de vehículos en las nuevas licitaciones.
Sin embargo, todavía nos enfrentamos a retos a resolver, especialmente cuando hablamos de vehículos de gran tonelaje, tanto desde un punto de vista de la inversión, de la recarga y de la garantía de prestación del servicio. De esta manera, hemos de trabajar entre todos en aquellos aspectos que nos pueden ayudar a realizar esta transición de manera más rápida:
Dimensionar los battery packs en función de la demanda energética de los servicios.
Instalar sistemas de recarga que monitoricen los procesos de recarga y desarrollar algoritmos de carga en función de las necesidades energéticas de la flota para alargar la vida útil de la baterías.
Instalar campos solares en los centros de trabajo y sistemas de baterías estacionarias de segunda vida para acumular la energía sobrante para reducir la potencia contratada.
Profundizar en el dominio de la tecnología para reducir la demanda energética, reprogramando los parámetros de serie de los fabricantes para adaptarlos a la realidad del servicio a prestar.
Transformar los sistemas de mantenimiento incorporando nuevos perfiles electrónicos y eléctricos.
Dotarnos de infraestructura de recarga de ciudad interoperable por diferentes operadores, transporte de viajeros y trasporte de residuos por ejemplo para los vehículos de gran tonelaje.
La evolución del precio de las baterías nos permite ser optimistas sobre el plazo que ha de pasar para tener una realidad eléctrica en gran tonelaje. Actualmente el coste de un vehículo de gran tonelaje eléctrico está entre las 1,8 y 2,2 veces uno de combustión interna, siendo el coste del battery pack el factor de mayor peso del precio total (chasis eléctrico más equipo). Sin embargo, el precio del kWh de batería ha pasado de los 1.100 dólares en 2010 a los 156 dólares en 2019[6] y algunas fuentes estiman que se alcanzarán los 100 dólares en torno al 2024 (cifra que vendría a asegurar la paridad de coste diésel-eléctrico). A pesar de ello, estas mismas fuentes estiman que el porcentaje de vehículos de gran tonelaje 100% eléctricos serán el 10-15% del total en torno a 2040 (se incluye en este dato el transporte por carretera con unas necesidades de autonomía mucho mayores que las de los servicios urbanos).
Si alcanzamos este escenario, significaría que el nivel de inversión dejará de ser el factor clave y serán otros, como la infraestructura de recarga y el dominio de la tecnología los que determinen la posibilidad de diseñar un servicio público 100% eléctrico robusto y garantista.
Por este motivo, cuanto más trabajemos de manera conjunta en Cataluña por reducir estos dos stoppers, infraestructura de recarga y dominio de la tecnología más cerca estaremos de un sistema que sea 100% eléctrico sin riesgos ni económico ni operacional.
[1] Recogida de residuos, limpieza viaria, alcantarillo, jardinería, gestión y mantenimiento de espacios municipales, brigadas de obras, alumbrado, etc. [2] Los vehículos eléctricos en los servicios urbanos. Año 2013. V.Cardador, S.Losada y J.J.Alonso. [3] Mix energético 2019. Equivalencia CO2 [4] Los vehículos eléctricos de 2t o menos tienen un sobre coste de inversión inicial en torno al doble frente a uno diésel, sin embargo para unos 15.000 km año teniendo en cuenta el menor de explotación (entre 5 y 6 veces menos en el caso de los consumos y entre un 20 y un 30% menos en el caso del mantenimiento) el punto de equilibrio se alcanza en algo menos de 8 años. [5] Incluso hay los 4 ejes de 32t dentro de las ciudades, pero en menor número. [6] Datos del Informe BloombergNEF de diciembre de 2019.