Volvo, Jaguar, Porsche y el KERS

por A. de A. | 5 Jun 2011 | Curvas Enlazadas | 17 Comentarios

La lucha por mejorar el rendimiento energético de la locomoción en general, y del automóvil en particular, que es lo que aquí nos interesa primordialmente, no es de ahora. Durante décadas y décadas, ha seguido tres cauces independientes pero coadyuvantes al mismo fin: menor consumo de combustible de un determinado coche sobre un mismo recorrido y a la misma velocidad; o si se prefiere, conseguir mayor velocidad consumiendo lo mismo. Esos tres cauces han sido y siguen siendo la mejora del rendimiento térmico del motor de explosión en cualquiera de sus ciclos Diesel y Otto (el Miller/Atkinson es una variante de este último), la disminución de la tara o peso del vehículo, y su mejora aerodinámica. Algo más marginal, aunque también muy interesante, la reducción de los rozamientos parásitos, con máxima dedicación a la resistencia a la rodadura.

Pero hay otra mejora energética que hasta no hace mucho se daba por perdida: la que hasta ahora se disipa como calor en la atmósfera (todo acaba siempre en calor, la más degradada de las formas de energía), durante las maniobras de voluntaria o necesaria reducción de velocidad. Este calor se genera por el rozamiento con el aire (aerodinámica) y con el pavimento (resistencia a la rodadura); pero sobre todo, en el dispositivo de frenado. Y lo que ya se está consiguiendo, en los vehículos que se ha dado en llamar híbridos, es que, en vez de dejar que se pierda, almacenar de un modo u otro dicha energía de frenado, y utilizarla posteriormente para reacelerar o simplemente ayudar a mantener el crucero constante del vehículo.

El “quid” de la cuestión radica en bajo cuál de las formas de energía resulta: a) más energéticamente rentable almacenar la energía disipada en la reducción de velocidad, y b) más sencillo, barato, ligero y compacto llevarlo a cabo; porque no siempre lo más conveniente es lo más asequible. La energía que se libera durante la retención o la frenada es de carácter mecánico; se trata de una masa que pierde energía cinética, al disminuir su velocidad. Así pues, podemos almacenarla como tal, si disponemos de los elementos mecánicos adecuados para transmitirla y almacenarla. También podemos hacerlo bajo forma de energía eléctrica, transformando la mecánica en eléctrica, y almacenando ésta en una batería. Básicamente, estas son las dos formas técnicamente realizables de conseguir nuestro objetivo; cualquier otro tipo de energía (térmica, acústica, radiante o nuclear) es de difícil, imposible o nada rentable conversión y almacenamiento.

Y estas dos formas ya se utilizan para el fin que nos proponemos; o mejor dicho, están a punto de utilizarse, porque la de almacenamiento mecánico, que es el objeto de este texto, todavía no ha pasado de lo experimental a la producción y venta al público. Al menos en automoción, porque en el material ferroviario, hace ya bastantes años que tuve acceso a informaciones de que algo similar a lo que a continuación vamos a explicar ya se estaba estudiando, y no he llegado a saber si aplicando, en algún tipo de locomotora. Y en cuanto a lo del almacenamiento eléctrico, ahí están los actuales híbridos, con el Toyota Prius como avanzadilla desde hace más de una década, seguido cada vez por más y más utilizadores de la tecnología híbrida, en sus cada vez más variadas aplicaciones. Pero la parte que aquí nos interesa es exclusivamente la recuperación de energía, que incluso se empieza a realizar utilizando el alternador llamado inteligente, que cuyo ciclo de recarga se refuerza durante las fases de retención y frenado del vehículo. En cuanto al Start/Stop no es recuperar energía; es sencillamente no malgastarla con el motor en marcha a coche parado, básicamente durante el tráfico urbano.

No obstante, la recuperación de energía a base de almacenamiento eléctrico tiene un problema fundamental, que se acrecienta a medida que aumenta la potencia que le queremos dar tanto a dicha recuperación en la frenada como a la posterior utilización de dicha energía para impulsar nuevamente al vehículo. Y este problema es el de las temperaturas que, tanto en el cableado como sobre todo en los elementos de control y en la propia batería, se alcanzan cuando estas transferencias energéticas son más y más violentas. Si recordamos las potencias de la fase eléctrica de la mayoría de los híbridos, vemos que está en la zona de los 10 a 15 kW, con la sempiterna excepción del Prius. Otra cosa son los eléctricos puros, y no digamos el Tesla; pero en híbrido, la parte eléctrica es bastante modesta. Y si no, que se lo pregunten a la F.1, que no supera los 60 kW de potencia (82 CV), y hay que ver los problemas que tienen con las temperaturas; en Red Bull todavía andan de cabeza para dominar el sistema. Cierto es que deben utilizar toda esa potencia al máximo, en cuestión de segundos, lo cual exige un sobreesfuerzo a todo el sistema eléctrico; pero el problema está latente ahí, con mayor o menor crudeza.

Y nos queda el otro camino: no salir del campo de la energía mecánica disipada en la reducción de velocidad, y transmitirla por medios mecánicos a un sistema de almacenaje también mecánico; y por el mismo camino, pero a la inversa, volver a utilizarla para impulsar nuevamente al vehículo. Y con ello entramos en el tema de hoy, que empezará con la adaptación que me he permitido hacer de un reciente comunicado de Volvo al que, reordenando los párrafos y recortando frases repetitivas y un tanto enfáticas, he logrado dejar en menos de la mitad de su extensión; y creo que sin eliminar nada de lo fundamental, e incluso ni de lo accesorio. Y por supuesto que siendo fiel al espíritu, ya que no siempre a la letra textual de dicho comunicado, cuyo resumen es el siguiente:

“La firma Volvo ha recibido de la Agencia Sueca de Energía una subvención de 6,57 millones de coronas suecas destinada a desarrollar, en el marco de un proyecto conjunto con SKF, una tecnología de recuperación de energía cinética procedente de la energía de frenado. Este otoño, Volvo se convertirá en uno de los primeros fabricantes de vehículos en probar en carreteras públicas el potencial de recuperación de energía cinética de la tecnología del volante de inercia. Las pruebas sobre vehículos comenzarán en la segunda mitad de 2011.

La asistencia a la propulsión con volante de inercia ya se probó en un Volvo 240 en los años 80; y los volantes de inercia construidos con acero han sido evaluados por diferentes fabricantes en los últimos tiempos. Actualmente, no somos los primeros en probar la tecnología del volante de inercia, también conocida como KERS (Kinetic Energy Recovery System). Pero nadie lo había aplicado al eje trasero de un vehículo en el que el motor térmico mueve las ruedas delanteras. Si las pruebas y el desarrollo tecnológico continúan según lo previsto, esperamos que los vehículos con esta tecnología se comercialicen en un par de años.

Puesto que un volante de acero es grande y pesado, tiene un límite de rotación bastante limitado, por lo que esta alternativa no es viable. Por ello, el volante de inercia que Volvo utilizará en las pruebas de sus vehículos es de fibra de carbono: una solución ecoeficiente, ligera y barata. Pesa alrededor de seis kg, tiene un diámetro de 20 cm y gira en una cámara de vacío, lo que reduce al mínimo las pérdidas por fricción. La tecnología del volante de inercia es relativamente barata; puede utilizarse en una variedad de vehículos mucho más amplia que la tecnología de gama superior, como la de los híbridos enchufables.

Durante una reducción de velocidad, la energía de frenado, a través de una transmisión especialmente diseñada con este fin, hace que el volante de inercia llegue a girar a 60.000 revoluciones por minuto. A la inversa, cuando el vehículo reacelera, la energía de rotación del volante de inercia se transmite a las ruedas traseras, suministrando hasta 82 CV adicionales. El motor de combustión que impulsa las ruedas delanteras se desconecta tan pronto como empieza el frenado. Puesto que el almacenamiento de energía es limitado, esta tecnología es tanto más efectiva cuanto mayor sea la frecuencia con la que el vehículo reduce velocidad y reacelera.

En otras palabras, el ahorro de combustible es mayor al circular por ciudad con mucho tráfico y también durante una conducción con variaciones continuas de velocidad. Nuestros cálculos indican que el motor de combustión se apagaría durante aproximadamente la mitad del tiempo de conducción, de acuerdo con el NEDC (Nuevo Ciclo de Conducción Europeo), y puede reducir el consumo hasta un 20/25%.”

La variante mecánica de recuperación energética tiene la ventaja de un mejor rendimiento, al no haber apenas pérdidas en calor en la conversión de energía a eléctrica y de nuevo a mecánica de los actuales híbridos; por supuesto, hay que disponer del sistema de transmisión mecánica adecuado, de una sujeción del volante que aguante las 60.000 rpm, y de un buen sellado estanco de la cámara de vacío. La colaboración con SKF es clave para los dos últimos apartados, dada su dilatada experiencia tanto en el mundo del rodamiento como en el sellado de por vida de su lubricación. En cuanto al sistema de transmisión, obligatoriamente de relación variable, se supone que es el terreno de Volvo Powertrain.

En el comunicado de Volvo hay alguna imprecisión y también bastantes lagunas; quizás piensan que todavía es pronto para dar demasiados detalles, y no quieren dar pistas acerca de cómo resuelven algunos interrogantes que a cualquiera que entienda un poco de mecánica se le ocurren a las primeras de cambio. Vamos primero con las imprecisiones, y luego entraremos en lo más interesante: lo que falta por explicar, lo que podemos suponer con mayor o menor lógica, y lo que todavía está bajo el velo del misterio.

En primer lugar, no es cierto que KERS se refiera exclusivamente al volante de inercia, sino a cualquier sistema de recuperación de energía cinética, como las palabras inglesas de las sigla indican; de hecho en F.1 (donde nació el acrónimo, y de donde Volvo ha recogido tal denominación, siguiendo la política de relacionarlo todo con la F.1, dando por supuesto que transfiere prestigio), los actuales KERS son del tipo eléctrico, con la energía almacenada en una batería. En cuanto a la primicia de montar el sistema híbrido en el tren posterior de un tracción delantera, Peugeot ya lo está haciendo, si bien es cierto que en modo eléctrico. Es como el huevo de Colón: lo suyo es montarlo en un tren en el que no esté la mecánica de por medio, estorbando y ocupando espacio. Es la razón por la que Porsche, a la inversa, monta sus sistemas híbridos en el tren delantero de sus 911 GT3R Hybrid y 918 RSR; pero sobre estos volveremos más adelante.

También es curioso que, al traducir el comunicado inglés al español por parte de Volvo España, el porcentaje de supuesto beneficio suba del 20 al 25%; tal vez el 25% podría ser la ganancia en ciclo urbano, que baja al 20% en el combinado, pero ninguno de los dos comunicados especifica en cual de ellos se consiguen las respectivas mejoras. En cualquier caso es anecdótico, pero lo que sí me gustaría que explicasen es donde se conectaba el primitivo sistema en el 240, habida cuenta de que se trataba de un modelo clásico, con motor y cambio delante, árbol de transmisión longitudinal y eje rígido propulsor trasero. Es de suponer que en serie o en paralelo con la caja de cambios, pero no pasa de eso, de una suposición.

Pero volvamos a la realización actual, todavía en estado de prototipo más o menos avanzado; aquí hay dos aspectos claves: el volante y su sellado al vacío, y la transmisión variable entre el volante y las ruedas. Porque variable forzosamente ha de serlo: al cargar de energía al volante, éste se encuentra girando a un régimen relativamente bajo, pues se supone que previamente ya ha entregado su energía en una aceleración anterior; por ello, mientras que la velocidad de las ruedas tiene que ir disminuyendo en la frenada, el volante tiene que irse acelerando al almacenar energía, hasta el máximo permitido de 60.000 rpm. Los dibujos que publicamos son muy bonitos, pero no dicen nada, ni el texto tampoco, acerca del “intríngulis” de dicha transmisión, que ha de ser de un tipo u otro de CVT variable en continuo, pero de ahí no pasamos.

En cuanto al volante en sí, se justifica la elección de un material de una consistencia tan robusta como la fibra de carbono, en detrimento del acero; a 60.000 rpm, y con su diámetro de 20 cm, la fuerza centrífuga que actúa sobre cada gramo de material situado en la periferia es de 400 kilos. Sí, 400 kilogramos, y no hay equivocación, salvo que Einstein resucite y, con su teoría de la relatividad, nos demuestre que la aceleración angular ya no es el producto del radio por el cuadrado de la velocidad angular; pero no parece probable que esto vaya a ocurrir. De modo que la cohesión de las partículas del volante tiene que ser terroríficamente fuerte, para que éste no salga centrifugado en migajas microscópicas. Y tampoco sabemos nada acerca del sellado de la cámara estanca en la que gira el volante, pero es evidente que en ambos extremos del eje que gira sobre rodamientos de bolas (estos sí se aprecian en el dibujo del volante) tiene que haber un sellado, y no sólo para retener el lubricante de dichos rodamientos, sino para que el vacío se mantenga como tal durante años, lo cual no parece tarea fácil. Salvo que, y esto es una ocurrencia, exista una pequeña bomba de vacío que se encargue de mantenerlo, si no absoluto al menos a un elevado porcentaje; pero tampoco de esto se nos dice nada.

Así que hagamos un acto de fe, y demos por bueno que todo funciona tal y como dicen; de modo que pasaremos al funcionamiento práctico. La primera duda que me asalta tiene que ver con algo que ya he repetido en varias ocasiones: durante la retención o el frenado. Es decir, ¿el sistema almacena energía desde el momento en que se levanta el pie por completo del acelerador, lo que produce una retención muy superior a la simplemente aerodinámica, o sólo se embraga cuando se toca el pedal del freno? Podría ser que haga lo primero, salvo que el volante ya esté girando a su máxima velocidad; pero en tal caso, retendría al coche quizás más de la cuenta y cuando al conductor no le interesa, puesto que podría preferir “ir a peso” en una bajada suave y fácil, o cuando a distancia se vislumbra una curva, un semáforo o un atasco de tráfico.

Lo que resulta evidente es que el almacenamiento tiene un límite (el del máximo régimen de giro del volante), y que cuando se alcanza tiene que haber un software o algoritmo de control que desembrague la conexión a las ruedas incluso aunque se esté frenando; en el esquema se ve un embrague multidisco. Y me queda una última duda: en el penúltimo párrafo de mi adaptación del comunicado se dice que “el motor de combustión se desconecta tan pronto como empieza el frenado”, y la frase es textual; en la versión inglés dice “switched off”, que literalmente se traduciría por “apagado” o “cortado el encendido”. Naturalmente, esto no tendría sentido alguno; el motor térmico retiene lo mismo con chispa que sin ella, mientras no haya inyección de carburante. Así que interpreto que la desconexión significa que el embrague de la transmisión normal se abre, para que no haya retención del motor, y las ruedas traseras hagan el máximo de frenado de recuperación posible. Esto requiere, por otra parte, una interconexión con el frenado hidráulico, pues el freno trasero no pueden frenar igual cuando no hay recuperación energética que cuando la hay, ya que se bloquería.

Todo ello ya lo iremos sabiendo, es de suponer, en futuras entregas que Volvo vaya haciendo sobre su sistema. Salvo que Jaguar y Land-Rover se adelanten, porque hace exactamente un año estuve en el Centro Técnico de Gaydon y allí nos explicaron que ellos forman parte de un proyecto, absolutamente idéntico al de Volvo y SKF, en el cual participan, aparte de la marca del felino y la especialista en todo-terreno, nada menos que el gigante tecnológico Ricardo, el equipo Williams de F.1 y la firma deportiva Prodrive, de múltiples facetas. En este caso, también la potencia es de 60 kW y el volante gira a 60.000 rpm, aunque es un poco más grande (236 mm, o sea, 5 pulgadas y 9/16) y la única diferencia es que, mientras en Jaguar se han decantado por una transmisión variable tipo CVT, en Williams prefieren que el intermediario entre volante y ruedas sea de tipo electromecánico. Sobre este proyecto no dispongo de ningún documento gráfico.

Pero sí lo hay sobre lo que está haciendo Porsche; porque la firma de Stuttgart también se ha metido por este camino, cosa fácil de entender dado su alto nivel tecnológico y vanguardista. Así que el híbrido eléctrico no está tan en solitario como pueda parecer; eso sí, ha sido el primero y más fácil de comercializar, ya que la transmisión eléctrica, aunque tenga las ya citadas pérdidas por calentamiento, es más sencilla de realizar que la de conexión mecánica. En Porsche se trabaja por dos caminos paralelos: por una parte, la versión comercial de su 918 Spyder híbrido es de tipo eléctrico clásico, conectado a las ruedas delanteras, como ya dije antes. Pero aun más interesante es que, primero en el 911 GT3R Hybrid, y luego en el 918 RSR Coupé, ambos de competición, se ha dado otro paso adelante: siempre sobre el tren delantero, aquí se colocan dos motores eléctricos, conectados uno a cada rueda, que ejercen como es habitual con la doble función de alternador de carga y propulsora, pero en ésta como diferencial inteligente, con algo más de empuje hacia la rueda exterior a la curva.

No obstante, lo más asombroso es que el almacenamiento de energía podríamos calificarlo como un híbrido de híbridos, ya que los dos motores de las ruedas, al frenar, envían su corriente eléctrica no a una batería, sino a otro motor de mucho mayor tamaño, situado en lo que sería el hueco para el asiento del copiloto. Dicho motor tiene un rotor de notable tamaño y peso, que actúa como volante de inercia; por acción electromagnética, la corriente que le envían los motores de las ruedas lo lanzan a un régimen muy elevado, y cuando llega el momento de acelerar, se invierte el funcionamiento. De este modo, la transmisión entre ruedas y acumulador de energía (en este caso volante/rotor) es eléctrica, pero el almacenamiento energético es mecánico inercial. Lo dicho: un sistema híbrido de los dos sistemas híbridos.

Eso sí, aquí se trabaja con potencias más elevadas, siendo algo más discretas en el 911 y más llamativas en el 918; y son las siguientes: cada motor de las ruedas tiene una potencia de 60 o 75 kW (120 y 150 en total), lo que equivale a 163 o 204 CV suplementarios en el 911 o en el 918. Dichos motores, mediante la oportuna desmultiplicación respecto a la rueda, llegan a girar a 15.000 rpm con el coche a velocidad punta, y van refrigerados por agua. En cuanto al rotor, en este caso refrigerado por aceite, gira a 40.000 rpm en el 911 y a algo menos (36.000 rpm) en el 918, ya que es más grande y pesado, almacenando más energía, la cual se carga y descarga a tope en un plazo no superior a los ocho segundos. Así se explica la sección realmente impresionante del cableado que se observa en la foto; tampoco los conductos del aceite son despreciables. La cuestión es que, bien por este sistema tan sofisticado pero más caro de Porsche (hay tres motores/alternadores suplementarios), que debe ser más o menos similar al de Williams, o por el mecánico más sencillo de Volvo y Jaguar, el método mecánico de recuperar energía nos demuestra que tiene mucho que decir en un próximo futuro. Esperemos verlo, y cuanto antes, mejor.