Modelado y simulación de un nuevo concepto de vehículo urbano eléctrico ligero basado en la optimización del uso de energías renovables y la reducción de emisiones de CO2

Resumen

La sociedad moderna ha basado su desarrollo en gran medida en la posibilidad de desplazar cantidades suficientes de bienes y personas entre distintas localizaciones de forma eficaz. El transporte consume el 19% de la energía a nivel mundial y emite el 23% del dióxido de carbono (CO2) debido al consumo energético. Con la tendencia actual, el uso de energía para el transporte aumentará un 50% para 2030 y más de un 80% para 2050. El transporte ligero, fundamentalmente orientado a personas, consumió en 2006 el 47% de la energía dedicada al transporte. El parque mundial de vehículos ligeros es previsible que se triplique para el año 2050, principalmente debido al incremento en países en vías de desarrollo. El Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC} advierte que, para evitar las desastrosas consecuencias del cambio climático, el calentamiento global no debe sobrepasar 1.5 ºC, por lo que las emisiones antropogénicas globales netas de CO2 deben disminuir un 45% de aquí a 2030 con respecto a los niveles de 2010 y ser iguales a cero para el año 2050. Dos de los focos de actuación preferentes para la consecución del objetivo de reducción de la emisión de gases de efecto invernadero está en el transporte urbano ligero y en el uso de fuentes de energía alternativas a los combustibles fósiles. Estas fuentes deben: -Ser renovables para evitar su agotamiento. -Estar disponibles en la zona para evitar la dependencia energética de terceros. -Ser acumulables para poder disponer de las reservas adecuadas que equilibren la capacidad de producción y la demanda. La hipótesis principal que se pretende demostrar en el presente trabajo es la viabilidad de un nuevo concepto de movilidad urbana basado en el uso intensivo de fuentes de energía renovable, al que se ha llamado Vehículo Eléctrico Urbano Ligero (ULEV). Para conseguirlo, se ha desarrollado una plataforma software basada en el lenguaje de modelado Modelica que permite definir un modelo multidisciplinar completo del comportamiento de un Vehículo Eléctrico (EV) teniendo en cuenta las ecuaciones mecánicas, eléctricas, electrónicas, físicas del entorno y de control. Se ha partido de la idea principal de un Smart Energy Hub (SEH), un concepto en el que se agrupan los distintos elementos componentes del EV que aportan o consumen energía. Una vez disponibles los modelos de los distintos elementos que lo conforman, así como los del entorno con el que interactúa el vehículo en su conjunto, se ha realizado la simulación dinámica con ayuda de Dymola y LTSpice de los elementos de mayor impacto, así como del vehículo completo. Se ha desarrollado una librería de componentes denominada Very Light Duty Vehicle (VLDV), que incluye los diferentes elementos del vehículo y su entorno, especialmente orientada al concepto del ULEV. Dentro de la producción científica generada, en [1] se muestran las aproximaciones matemáticas para el modelado dinámico de una smart-grid para su uso en un ULEV movido por energía solar, al objeto del desarrollo de los algoritmos de control del vehículo. En [2] se presenta un modelo dinámico de batería que tiene por objeto simular el comportamiento de los distintos tipos de batería de uso común en ULEVs. En [3] se presenta un nuevo modelo linealizado de convertidor CC-CC para su uso en unidades de suministro y recuperación de energía, aplicadas fundamentalmente en ULEVs. Se ha definido el modelo completo de un ULEV alimentado por batería, panel fotovoltaico y con sistema de recuperación de energía en las frenadas. Se han definido dos ciclos de conducción específicos en base a las condiciones y características propias del transporte urbano, adaptados a las limitaciones de velocidad impuestas por el vehículo y que pueden servir de circuitos normalizados para comparar los resultados de distintas propuestas de vehículos de cualquier tipo. De la simulación del modelo completo en los ciclos de conducción definidos, se obtienen los resultados que confirman que el concepto de ULEV basado en el uso de energías renovables, consigue una reducción del uso de energía que oscilan entre el 88.3% y el 99.6% en función del ciclo seleccionado. Asociada a esta reducción en el consumo de energía está la reducción en la emisión CO2, que oscila entre los 35gr y 41gr durante un solo ciclo. [1] F. J. Gomez, L. J. Yebra, and A. Giménez, “Modelling a Smart-Grid for a Solar Powered Electric Vehicle,” in 9th Vienna Conference on Mathematical Modelling, 2018, vol. 55, pp. 5–6, doi: 10.11128/arep.55.a55113. [2] F. J. Gómez, L. J. Yebra, A. Giménez, and J. L. Torres-Moreno, “Modelado de baterías para aplicación en vehículos urbanos eléctricos ligeros,” Rev. Iberoam. Automática e Informática Ind., vol. 16, no. 4, p. 459, Sep. Sep. 2019, doi: 10.4995/riai.2019.10609. [3] F. J. Gómez-Navarro, L. J. Yebra, F. J. Gómez-Medina, and A. Giménez-Fernandez, “DC-DC Linearized Converter Model for Faster Simulation of Lightweight Urban Electric Vehicles,” IEEE Access, vol. 8, no. 1, pp. 85380–85394, 2020, doi: 10.1109/ACCESS.2020.2992558.