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Introducción
A nivel mundial, las emisiones de dióxido de carbono CO2 son una de las principales causas del aumento de los GEI, calentamiento global y baja calidad de aire (Pérez-Martínez, Miranda, Andrade, & Kumar, 2020). Este problema se agrava debido al elevado número de VMCI que funcionan a base de combustibles fósiles emitiendo GEI (Leach, Kalghatgi, Stone, & Miles, 2020). Debido a esto, es necesario la introducción de nuevas medidas, tecnologías emergentes y sostenibles, para minimizar el impacto de la transportación humana en el medio ambiente.
En este sentido, los VE surgen como una alternativa para contrarrestar los problemas medio ambientales asociados a la transportación humana. La introducción en el mercado de los vehículos impulsados por SPE ha sido acelerada en los últimos años debido a la alerta sobre el eminente agotamiento de los recursos hidrocarburíferos después del 2040 y el imparable calentamiento global, según lo reportan (Kuo, 2019; Leach et al., 2020). Un VEB principalmente se conceptualiza como un vehículo impulsado por la energía eléctrica almacenada en un banco de baterías. Debido a esto, durante su desplazamiento, e incluso durante las paradas obligatorias (semáforos, intersecciones, etc.) no emite CO2 ni otros gases responsables de contaminación ambiental. Además, debido a los sistemas de conversión de energía que lo conforman, un VEB puede alcanzar niveles de eficiencia mayores al 85% en cuanto al aprovechamiento de energía, versus máximo el 35% que logran los VMCI, como lo indican (Chau, 2014; Kumar & Jain, 2014; Leach et al., 2020).
Respecto a la cuantificación de las emisiones de GEI ligadas al consumo de combustible o energía, el análisis llamado WTW permite evaluar las emisiones de carbono de una tecnología vehicular en dos partes: WTT y TTW. La primera considera las emisiones de CO2 que involucran las actividades de extracción, transformación y distribución de la energía, mientras que la segunda considera las emisiones producidas por el consumo de dicha energía (Ozdemir, Koc, & Sumer, 2020). En este sentido, al resultado de cuantificar las emisiones de CO2 por parte de una tecnología se define como "Huella de Carbono". Esta permite realizar una comparación acerca de cuan contaminante es un producto tecnológico o industrial respecto de otro. En literatura existen varios estudios enfocados en determinar la huella de carbono que tienen tanto VMCIs como VEBs.
Por un lado, en Moro & Helmers (2017) se presenta una metodología híbrida para evaluar la huella de carbono entre un VEB e VMCI, puntualizando principalmente las emisiones producidas durante la fabricación del pack de baterías del VEB y considerando una realidad europea. Los resultados encontrados con la metodología propuesta por los autores indican que el VEB reduce sus emisiones de CO2 entre 31 - 46% respecto al VMCI. En Hall & Lutsey (2018) se reporta otro estudio comparativo de la huella de carbono de un VMCI y VEB en Europa, y se hace una especial mención sobre las emisiones debidas a la fabricación de las baterías de Litio. Se hace énfasis en la mitigación de índices de contaminación ante futuros escenarios energéticos, con una mayor introducción de energías renovables y mejoramiento en las tecnologías de almacenamiento de energía. Una parte importante de este estudio se muestra en la figura 1, donde se comparan las emisiones de CO2 por kilómetro de recorrido. Como se puede apreciar, la media de emisiones de un VEB en la Unión Europea es menor que las emisiones del VMCI más eficiente, sin embargo, si se compara por países, las emisiones de un VEB en Francia y Noruega son las más bajas de los escenarios analizados debido a las altas cuotas de generación de energía eléctrica nuclear y renovable que estos países tienen como se indica en Messagie (2015).
Figura 1: Emisiones de gCO2/km de vehículos eléctricos y convencionales en Europa para 150000 km de recorrido según Hall & Lutsey (2018).
Además, en Shen, Han, & Wallington (2014) se analiza el impacto que tiene el uso de VEs en las emisiones de GEI en China y su prospectiva futura en referencia a mejorar los índices de contaminación del aire y calentamiento global. En este estudio se reveló que, debido a la alta participación de generación renovable y nuclear en la red eléctrica de la región central y sur de China, los VEBs logran una eficiencia de 16 kWh/100km con emisiones cercanas a 140 gCO 2 /km. Sin embargo, para las redes eléctricas de cobertura norte y este de China los VEBs tienen emisiones GEI mayores a aquellas de vehículos híbridos en un 34 y 28% debido a las altas cuotas de generación eléctrica a partir de la quema de carbón. Estos resultados indican que las emisiones GEI, y por lo tanto la huella de carbono, de un VEB está fuertemente influenciado por los tipos de generación eléctrica de cada país, incluso dentro de sus mismas regiones como en el caso de China. Complementario a esto, en los trabajos de Jang & Song (2015) y Cai et al. (2015) se presentan evaluaciones de la huella de carbono que tiene el uso de combustibles fósiles en la transportación para realidades energéticas de Corea y Estados Unidos, respectivamente. Estos trabajos evidencian la necesidad de diversificar las matrices energéticas de estos países hacía energías renovables para apreciar de mejor manera el beneficio del uso de los VEBs respecto de las emisiones GEI.
Por otro lado, y de manera particular, son pocos los trabajos realizados sobre la evaluación de la huella de carbono de tecnologías de transporte en Ecuador, por lo que se muestra la necesidad de profundizar en este tema considerando la matriz energética ecuatoriana. Por ejemplo, uno de los trabajos reportados es el de Vera, Clairand, & Bel (2017), donde se presenta un análisis del beneficio que representaría la introducción masiva de VEs en Ecuador, basado principalmente en factores económicos, impuestos y costos de energía, además de las políticas de incentivo que existen para la adquisición de VEs, pero no se considera una evaluación cuantitativa de las emisiones de CO2. En los trabajos de Córdova-Suaréz, Carrasco, Padilla, & Garcés-Sánchez (2018) y Córdova, Carrasco, Alvarez, Chaglla, Pico, & Pérez (2018) se presentan los análisis de la huella de carbono de vehículos de transporte urbano público propulsados por combustibles fósiles en la ciudad de Riobamba y Ambato, Ecuador, respectivamente. Los autores concluyeron que la problemática de emisiones de GEI en países en vías de desarrollo es mucho peor que en países desarrollados, no tanto por la totalidad de emisiones, sino más bien debido a la falta de regulaciones y control por parte del estado, baja calidad de combustibles fósiles y falta de penetración de tecnologías vehiculares emergentes, así como estudios relacionados a evaluar sus huellas de carbono según la realidad energética del país. Otro trabajo que debe ser mencionado es el reportado por Román-Collado, Sanz-Díaz, & Loja-Pacheco (2021), donde se establece la necesidad de medir las huellas de carbono de la producción y consumo energético en el Ecuador, de acuerdo a varios sectores industriales y de transporte, además de elaborar políticas gubernamentales acordes para fortalecer el proceso de descarbonización del país.
Una constante común en todos los trabajos revisados es que las emisiones de CO2 de VEs alimentados por energías alternativas y sostenibles son menores a las generadas por combustibles fósiles. Además, en la mayoría de trabajos consultados se aplicó el análisis WTW para la evaluación de las huellas de carbono, las mismas que son diferentes en cada país debido a los variados escenarios energéticos que los caracterizan. Por lo tanto, es importante evaluar de forma específica las huellas de carbono en tecnologías vehiculares tomando en cuenta la realidad energética de cada país, lo que permitiría realizar una toma de decisiones e implementación de políticas de estado que den soporte a una mayor inserción de tecnologías de emisiones bajas de carbono y cambios en sus matrices energéticas.
A la luz de los trabajos consultados, y por lo antes mencionado, es importante resaltar que es necesario realizar una evaluación de la huella de carbono de vehículos eléctricos en el Ecuador, considerando la diversidad y participación de diferentes fuentes de generación en su matriz energética. A priori, se podría indicar que los resultados que se obtendrán de dicha evaluación ratificarán a los VEBs como la mejor alternativa para un transporte limpio y sostenible. Sin embargo, no es posible generalizar dichas conclusiones cuando es requerido contar con información específica que permita ubicar mejor una tecnología respecto de otra, considerando además que los resultados pueden ser mejores o peores en base a las cuotas de producción de energía renovable y no renovable de cada país, entre otros factores. En este sentido, el objetivo de este trabajo es evaluar las emisiones de CO2 de un VMCI y un VEB, contextualizadas en la realidad energética ecuatoriana, mediante la aplicación del análisis WTW. Los datos técnicos y de fabricante utilizados en este estudio pertenecen a un vehículo KIA Soul y un KIA Soul EV, ambos modelos comercializados en el mercado ecuatoriano. De esta manera, se pretende establecer la huella de carbono que deja el uso de este tipo de vehículos en el Ecuador, considerando el total de emisiones que se generan desde la producción de combustibles o energía eléctrica hasta su consumo en las tecnologías vehiculares antes mencionadas.
Metodología
El presente estudio se lleva a cabo siguiendo de manera secuencial una serie de actividades que permiten establecer de manera cuantitativa, desde el punto de vista teórico y documental, los niveles de emisiones de CO2 por parte de un VMCI y un VEB según la realidad energética del Ecuador. En la figura 2 se presenta la metodología aplicada en el estudio, la misma que inicia recolectando datos de las tecnologías vehiculares consideradas y de la matriz energética del Ecuador. Posteriormente, se detallan los escenarios de estudio considerados para la aplicación del análisis WTW, concluyendo con la interpretación de los resultados. Es importante indicar que, se ha escogido el análisis WTW debido a que es el más documentado en literatura, como se puede consultar en los trabajos elaborados por Cai et al., (2015), Choi & Song (2014), Jang & Song (2015) y Moro & Helmers (2017).
Figura 2: Metodología secuencial para el estudio de la huella de carbono propuesta para el presente trabajo.
Identificación de tecnologías vehiculares VMCI y VEB
En la figura 3 se puede apreciar las arquitecturas básicas de un VMCI y un VEB, mientras que en la tabla 1 se comparan las características, ventajas y desventajas de ambos tipos de vehículos.
Figura 3: Arquitectura de vehículos propulsados por la energía proveniente de a) motor de combustión interna y b) baterías, parcialmente extraída de Kumar & Jain (2014).
Tabla 1: Comparación de características entre un VMCI y un VEB, extraída parcialmente de Kumar & Jain (2014).
| Tipo de Vehículo | Sistema de Propulsión | Almacenamiento de Energía | Infraestructura de la Fuente de Energía | Ventajas | Desventajas | Problemáticas Importantes |
|---|---|---|---|---|---|---|
| VMCI | Basada en MCI | Tanque de combustible | Derivados de petróleo con estaciones de servicio | Tecnología madura Altamente comercial Buen rendimiento Operación simple Fiable Durable | Menos eficiente Baja economía de combustible Emisiones nocivas Comparativamente voluminoso | Economía de combustible Emisiones nocivas Altamente dependiente de derivados de petróleo |
| VEB | Basada en SPE | Batería Supercondensadores Inercia Mecánica | Energía eléctrica con infraestructura para carga | Eficiencia energética Emisiones cero Independencia de derivados de petróleo Silencioso Funcionamiento suave Comercial | Rango de conducción limitado Tiempos de recarga largos Mala respuesta dinámica | Tamaño y peso del paquete de baterías Rendimiento del vehículo Infraestructura para estaciones de carga |
Por una parte, los VMCI utilizan la energía térmica proveniente de combustibles fósiles liberada a través de explosiones contenidas en las cámaras de combustión de los cilindros del motor y la transforman en energía cinética que es dirigida hacía las ruedas para la tracción mediante un sistema de transmisión mecánica. Debido al proceso de transformación de energía que utiliza, se producen muchas perdidas en forma de calor lo que reduce la eficiencia del sistema de transformación hasta un 30%, generando además emisiones de CO2 durante la conducción debido al proceso de combustión, tal y como lo indican Iannelli, Gil, & Prieto (2018).
Por otra parte, los VEB son propulsados por la energía electroquímica almacenada en una batería en forma de carga eléctrica, la misma que es dirigida hacía las ruedas para la tracción mediante un sistema de conversión de potencia eléctrica y motor/generador acoplado de manera simple o directa (Chau, 2014). Las baterías que se emplean en este tipo de vehículos, son construidas a base de varios materiales como: iones de litio (Li-Ion), polímero de litio (Li-Po), níquel-hierro (Ni-Fe), níquel-hidruro metálico (Ni-MH), entre otras (Kumar & Jain, 2014). Por tener una fuente de propulsión basada en electricidad, las emisiones de CO2 durante la conducción son nulas, incluso durante las paradas forzadas del vehículo como en semáforos e intersecciones. Sin embargo, las baterías deben recargarse a partir de la infraestructura eléctrica de cada país mediante puntos de conexión diseñados con este fin. Debido a esto, las emisiones de CO2 producidas al generar y distribuir la energía eléctrica para la recarga de las baterías deben ser consideradas para determinar la huella de carbono de los VEB.
Para este estudio, se escogieron modelos de vehículos VMCI y VEB comercialmente disponibles en Ecuador. En este sentido, para el análisis del VMCI se escogió el modelo KIA Soul, mientras que para el VEB se seleccionó el modelo KIA Soul EV. Ambos vehículos son manufacturados por el mismo fabricante y comparten características relativas a carrocería, volumen, número de pasajeros, entre otros. En la tabla 2 se muestra una lista de las características técnicas de ambos vehículos. Dicha lista ha sido compilada con la información obtenida de las fichas técnicas de ambos vehículos y los datos obtenidos de sitios web expertos del sector automovilístico, mismas que pueden ser consultadas en KIA Motors, n.d.-a; KIA Motors, ( n.d.-b); KIA MOtors, (n.d.-c); Km77, (n.d.-a); Km77, (n.d.-b).
Tabla 2: Lista de características técnicas de un KIA Soul vs KIA Soul EV.
| Parámetro | Símbolo | Unidad SI | KIA Soul | KIA Soul EV |
|---|---|---|---|---|
| Tipo de carrocería | - | - | Monovolumen | Monovolumen |
| Número de puertas | - | - | 5 | 5 |
| Número de pasajeros | N- | 5 | 5 | |
| Sistema de propulsión | - | - | Basada en MCI | Basada en SPE |
| Dimensiones (L x An x Al) | - | 𝑚4.14 x 1.8 x 1.62 | 4.14 x 1.8 x 1.6 | |
| Batalla | - | 𝑚2.57 | 2.57 | |
| Peso | 𝑀 𝑐𝑎𝑟 𝑘𝑔1290 | 1505 | ||
| Coeficiente de arrastre | 𝐶 𝑥- | 0.34 | 0.33 | |
| Tipo de motor | - | - | MCI | Eléctrico |
| Fuente de energía | - | - | Gasolina | Batería Li-ion |
| Cilindrada | - | 𝑐𝑐1.591 | - | |
| Rendimiento de combustible* | 𝑅 𝑐𝑜𝑚𝑏 𝑘𝑚/𝑙9.8 | - | ||
| Emisiones de CO₂ NEDC | ECNEDC | gCO 2 /km | 140 | - |
| Potencia del motor | 𝑃 𝐼𝐶𝐸 | 𝑃 𝐸𝑀 𝑘𝑊121 @ 6300 rpm | 108 @ 2730 rpm | ||
| Torque del motor | 𝜏 𝐼𝐶𝐸 | 𝜏 𝐸𝑀 𝑁𝑚151 @ 4850 rpm | 285 | ||
| Potencia de batería | 𝑃 𝑏𝑎𝑡 𝑘𝑊- | 90 | ||
| Capacidad de batería | 𝐶 𝑏𝑎𝑡 𝑘𝑊ℎ- | 27 | ||
| Volumen de tanque | 𝑉𝑜 𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑘 𝑙54 | - | ||
| Transmisión | - | - | Mecánica/Automática x 6 | Automática x 1 |
| Aceleración de 0 a 100 km/h | 𝑡 𝑎 𝑠11.0 | 11.2 | ||
| Velocidad máxima | 𝑉𝑒 𝑙 𝑚𝑎𝑥 𝑘𝑚/ℎ185 | 145 | ||
| Pendiente máxima | 𝑚 %- | 33 | ||
| Aire acondicionado | - | - | Si | Si |
| Autonomía de conducción | 𝐴 𝐶 𝑉𝑀𝐶𝐼 | 𝐴 𝐶 𝑉𝐸𝐵 𝑘𝑚- | 200 | ||
| Precio en USD | - | - | $ 23000 | $ 31000 |
| * Valor referido en conducción urbana y bajo datos del fabricante. |
Matriz energética del Ecuador
De acuerdo al último reporte disponible de estadísticas de la Agencia de Regulación y Control de Energía y Recursos Naturales No Renovables (ARCERNNR) del Ecuador (ARCERNNR, 2021), en el año 2020 había una producción de energía eléctrica renovable del 64.91% y no renovable del 35.09%. En la figura 4 se puede apreciar la distribución de la producción de energía eléctrica efectiva en el Ecuador, según el tipo de fuente.
Sin embargo, y para fines de este estudio, es importante diferenciar que, en el Ecuador, la producción de energía eléctrica con bajas emisiones de CO2 está conformada principalmente por: generación hidroeléctrica, fotovoltaica y eólica. En cambio, las centrales térmicas basadas en MCIs, turbovapor, turbogas, biomasa y biogás pueden ser agrupadas como producción de energía eléctrica con altas emisiones de CO2. En este estudio, a este grupo de estaciones de generación basadas en un proceso de combustión se las denominará como generación termoeléctrica. En este sentido, las cuotas de participación en el mercado de generación de energía eléctrica en el Ecuador para estos tipos de producción durante el 2020 y hasta la actualidad se resumen en la tabla 3. Como se puede observar, en el Ecuador la producción de energía eléctrica es mayoritariamente hidroeléctrica (62.58%) y termoeléctrica (36.83%).
Figura 4: Producción de energía eléctrica efectiva en el Ecuador en el año 2020, según el tipo de fuente, según ARCERNNR (2021).
Tabla 3: Cuotas de participación en la producción de energía eléctrica en el Ecuador durante el 2020 hasta la actualidad, según datos recabados de ARCERNNR (2021).
| Tipo de Producción | Potencia Efectiva, MW | Aporte de Generación, % | Coeficiente de Generación, CG |
| Hidráulica | 5036.43 | 62.58 | 0.6258 |
| Fotovoltaica | 26.74 | 0.33 | 0.0033 |
| Eólica | 21.15 | 0.26 | 0.0026 |
| Térmica | 2963.79 | 36.83 | 0.3683 |
| Total | 8048.11 | 100.00 | 1.0000 |
Escenario de estudio
En esta fase se lleva a consideración los aspectos clave requeridos para la aplicación del análisis WTW, así como la definición de otros que no ingresan dentro del mencionado análisis, pero que son igual de importantes. La base de estudio lo conforman los vehículos KIA Soul y KIA Soul EV como modelos correspondientes al VMCI y VEB, respectivamente, ambos disponibles comercialmente en Ecuador. El estudio se centra en determinar la huella de carbono que registran los mencionados vehículos durante una vida útil de 200000 km de recorrido, la misma que es realizada en no menos de 10 años.
En ambos casos se considera la autonomía de conducción dada por el fabricante u obtenida mediante los datos técnicos de la tabla 2. Por tanto, la autonomía del VMCI se obtiene mediante ecuación (1).
(1)
donde, 𝑅 𝑐𝑜𝑚𝑏 = 9.8 𝑘𝑚/𝑙 es el rendimiento del combustible, mismo que representa la cantidad de kilómetros que el automóvil puede recorrer con un volumen específico de combustible, y 𝑉𝑜𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑘 = 54 𝑙 es el volumen del tanque de combustible, resultando en 529 𝑘𝑚.
De forma análoga, se puede establecer de acuerdo a la tabla 2 que, según el fabricante, la autonomía del VEB es 𝐴𝐶 𝑉𝐸𝐵 = 200 𝑘𝑚 con una sola carga de la batería. Por tanto, el rendimiento del consumo de energía por cada kilómetro recorrido del VEB se calcula con l ayuda de la ecuación (2).
(2)
donde, 𝐶 𝑏𝑎𝑡 = 27 𝑘𝑊ℎ y es la capacidad de almacenamiento de energía en las baterías, resultando en 7.4 𝑘𝑚/𝑘𝑊ℎ. En base a lo mencionado, se determinan las cantidades totales mínimas de combustible y energía requerida por el VMCI y VEB mediante las ecuaciones (3) y (4), respectivamente, para lograr el recorrido de vida útil establecido para este estudio.
(3)
(4)
Un aspecto que debe ser considerado es las emisiones generadas por la fabricación y uso de la carrocería durante el recorrido de vida útil. Para esto, la unidad estándar 𝑔𝐶𝑂2/𝑘𝑚.𝑝 es utilizada, la misma que indica los gramos de CO2 por kilómetro recorrido y por número pasajeros. En el caso de ambos vehículos, el máximo número de pasajeros es 5 (Tabla 2), pero se considerará un valor intermedio de N = 2 debido a que es impráctico que el total de pasajeros viajen juntos durante todo el recorrido de vida útil. En este sentido, en base a lo publicado por HINICIO (2020), las emisiones de carbono en kilogramos debidas a la carrocería se calculan mediante la ecuación (5).
(5)
donde, 𝐸𝐵 𝑐ℎ𝑎𝑠𝑖𝑠 es la taza de emisiones de CO2 relacionada al uso de la carrocería, mismo que para un VMCI se estima en 5.0 gCO2/km.p, mientras que para un VEB se ubica en 3.5 gCO2/km.p. La diferencia entre estos valores está influenciada por el sistema de transmisión más simplificado, menores requerimientos de mantenimiento y mayor eficiencia en la conversión y transferencia de energía que tienen los VEB, respecto de los VMCI.
Análisis del Pozo-a-la-Rueda (WTW)
Como se mencionó anteriormente, para realizar una comparación sobre las emisiones de GEI por parte de las tecnologías vehiculares involucradas en este estudio: VMCI y VEB, se realiza un análisis WTW. Según Ozdemir et al. (2020), este análisis considera todas las emisiones de CO2 que se generan desde el origen de una fuente de energía hasta su consumo en el vehículo. El análisis se subdivide en dos fases: 1) WTT (pozo al tanque) - donde se analizan y cuantifican todas aquellas emisiones de carbono que se efectúan durante el proceso de extracción o generación, trasformación, trasporte y distribución de combustibles o energía, dependiendo del tipo de vehículo que esté bajo análisis; y 2) TTW (tanque a la rueda) - donde se cuantifica aquella energía consumida y las emisiones GEI producidas por el vehículo de tecnología determinada durante su vida útil en términos de distancia de conducción.
Emisiones del Pozo al Tanque (WTT) para el VMCI
En el caso del KIA Soul, las emisiones de CO2 durante el WTT están asociadas a la producción y distribución de gasolina requerida para su funcionamiento. En este sentido, el peso asociado a la cantidad de combustible necesario para su vida útil de recorrido, mismo que fue establecido mediante la ecuación (3) en 20408 𝑙, es determinado mediante la ecuación (6):
(6)
donde, 𝜌 𝑐𝑜𝑚𝑏 es la densidad de la gasolina, misma que según (Martinez, n.d.) es valorada en 750 𝑘𝑔/ 𝑚 3 .
Finalmente, según Isla-Martínez (2017), el total de emisiones de CO2 en kilogramos, generados desde la extracción y refinamiento de la gasolina, hasta su distribución en las estaciones de servicio donde el VMCI recarga el combustible requerido para su funcionamiento durante el recorrido de vida útil (Ecuación (7)).
(7)
donde, 𝑃𝐶 𝑐𝑜𝑚𝑏 es el poder calórico por cada kilogramo equivalente de gasolina, mientras que 𝐸𝑃 𝑐𝑜𝑚𝑏 representa las emisiones de CO2 generadas para producir cada unidad de poder calórico del combustible. De acuerdo a Isla-Martínez (2017) y Martinez (n.d.), el valor para 𝑃𝐶 𝑐𝑜𝑚𝑏 se promedia como 44.3 𝑀𝐽/𝑘𝑔, mientras que 𝐸𝑃 𝑐𝑜𝑚𝑏 se estima en 10.961 𝑔𝐶 𝑂 2 /𝑀𝐽.
Emisiones del Pozo al Tanque (WTT) para el VEB
En el caso del KIA Soul EV, las emisiones de CO2 durante el WTT están asociadas a la producción de la energía eléctrica requerida para recargar las baterías durante la vida útil de recorrido, y las emisiones debidas a la fabricación y reemplazo del pack de baterías del vehículo. Por un lado, se debe considerar que, en el caso de Ecuador, el total de la energía requerida por el VEB ( 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙_𝐶 𝑏𝑎𝑡 = 27027 kWh) es entregada por diferentes fuentes de generación eléctrica, como se mencionó en la tabla 3, las mismas que emiten diferentes niveles de CO2.
En este sentido, los totales de emisiones de CO2 en kilogramos emitidas proporcionalmente por cada fuente de generación eléctrica de la tabla 3 se calculan con la ayuda de la ecuación (8), (9), (10) y (11).
(8)
(9)
(10)
(11)
donde, 𝐶𝐺 𝐻𝐸 , 𝐶𝐺 𝐹𝑉 , 𝐶𝐺 𝐸𝐸 y 𝐶𝐺 𝑇𝐸 son los coeficientes del aporte de generación de las fuentes hidroeléctricas, fotovoltaicas, eólicas y termoeléctricas, respectivamente, de acuerdo a la información de la tabla 3. Mientras que, los términos 𝐸𝑃 𝑋𝑋 representan las emisiones de CO2 producidas por cada fuente de generación consideradas. Por ejemplo, las hidroeléctricas en Ecuador generan emisiones promedio equivalentes a EP HE = 24 𝑔 𝐶𝑂 2 /𝑘𝑊ℎ, según lo reportado por Briones-Hidrovo, Uche, & Martínez-Gracia (2017). La generación de energía fotovoltaica emite cerca de EP FV = 40 𝑔 𝐶𝑂 2 /𝑘𝑊ℎ según lo recabado de NREL-U.S. (2012), Reich, Alsema, Van Sark, & Nieuwlaar (2007). La generación eléctrica a partir de la energía eólica emite en promedio cerca de EP EE =12 𝑔 𝐶𝑂 2 /𝑘𝑊ℎ según lo reportado por Bhandari, Kumar, & Mayer (2020). La generación en centrales termoeléctricas produce emisiones promedio equivalentes a EP TE = 490 𝑔 𝐶𝑂 2 /𝑘𝑊ℎ (Parra-Narváez, 2015; Prado-Carpio & Castro-Armijos, 2017).
Por lo tanto, el total de emisiones de CO2 en kilogramos, emitidos por la generación y producción de energía eléctrica requerida para la recarga de las baterías del VEB durante el recorrido de vida útil, se calcula como muestra la ecuación (12).
(12)
Por otro lado, la estimación de emisiones debidas a la fabricación de baterías y su respectivo reemplazo en el KIA Soul EV, se calculan mediante la ecuaicón (13).
(13)
donde, 𝐶 𝑏𝑎𝑡 es la capacidad del banco de baterías establecida en 27 kWh (Tabla 2), 𝐸𝐹 𝑏𝑎𝑡 es la estimación de emisiones realizadas durante la fabricación de baterías de iones de litio por cada kilo-watio-hora de capacidad, cuyo valor es 110 KgCO 2 /kWh (Hall & Lutsey, 2018). Además, en cada batería se estima una vida útil mínima de 8 años, por lo cual se requerirá de al menos un reemplazo del banco de baterías durante la vida útil del vehículo (n = 2). Es importante indicar que se desprecian las emisiones producidas por el transporte e importación de las baterías a Ecuador.
Emisiones del Tanque a la Rueda (TTW)
En el caso del KIA Soul EV, no se consideran algún valor para las emisiones TTW debido a que el VEB no emite ningún tipo de GEI durante los ciclos de conducción, lo cual representa una de sus principales ventajas.
Contrario a esto, según los datos de la tabla 2, el KIA Soul a gasolina emite EC NEDC = 140 gCO 2 /km durante ciclos de conducción NEDC (New European Driving Cycle) el mismo es una prueba de homologación europea para vehículos. Por lo tanto, el total de emisiones de carbono durante la fase TTW generadas por parte del VMCI durante el recorrido de vida útil considerado, se calculan usando la relacion en ecuación (14).
(14)
donde, FC es un factor de corrección equivalente al 35% más de emisiones debido a las condiciones reales de tráfico y conducción, como lo recomienda Fontaras, Zacharof, & Ciuffo (2017). Es importante indicar que durante la fase TTW solo se considera las emisiones debidas el consumo de gasolina, y este dato ha sido provisto por el fabricante.
Resultados
En base a datos expuestos en la tabla 2 y tabla 3, y aplicando las ecuaciones (8)-(11), se evaluó las emisiones de CO2 por parte de cada tipo de generación energética considerada en este estudio para producir la energía eléctrica que demanda el KIA Soul EV durante su vida útil de recorrido. Los resultados de esta estimación constituyen los índices de emisiones de CO2 para el VEB durante la fase WTT y se presentan en la tabla 4.
Tabla 4: Emisiones de CO2 generados por la producción energética en Ecuador requerida por el VEB para 200000 km de recorrido.
| Tipo de Generación Eléctrica | Energía Requerida, kWh | Emisiones Equivalentes, gCO 2 /kWh | Subtotal Emisiones, kgCO 2 | |
|---|---|---|---|---|
| Bajas emisiones CO2 | Hidroeléctrica (62.58%) | 16913.50 | 24 | 405.92 |
| Fotovoltaica (0.33%) | 89.20 | 40 | 3.57 | |
| Eólica (0.26%) | 70.30 | 12 | 0.84 | |
| Altas emisiones CO2 | Centrales Térmicas (36.83%) | 9954.10 | 490 | 4877.49 |
| Totales | 27027.00 | 566 | 5287.82 | |
En la tabla 5 se presenta el resumen de los resultados de las emisiones calculadas en el análisis WTW para determinar la huella de carbono de los vehículos KIA Soul y KIA Soul EV. Por un lado, para el WTT se consideraron las emisiones de CO2 debidas al camino del combustible para el VMCI (Ecuación (7)), mientras que para el VEB se tomó en cuenta las emisiones producidas durante la recarga de las baterías (Ecuación (12)), así como las emisiones debidas a la fabricación y reemplazo de baterías (Ecuación (13)). Por otro lado, para el TTW se consideró únicamente las emisiones de CO2 durante el recorrido y conducción del VMCI (Ecuación (14)) debido a que el VEB no emite carbono durante la conducción. Complementario al análisis, un parámetro común a ambos vehículos son las emisiones de CO2 provocadas por la fabricación, uso y mantenimiento del chasis o carrocería en general (Ecuación (5)). Como se puede observar, el total de emisiones de carbono del VMCI es 47232.17 kgCO 2 , frente a los 12627.82 kgCO 2 que emite el VEB durante un mismo recorrido de vida útil de 200000 km.
Tabla 5: Emisiones de CO2 calculadas para la huella de carbono de un KIA Soul y KIA Soul EV para un recorrido 200000 km, según la matriz energética de Ecuador.
| Emisiones | Parámetros | VMCI (KIA Soul), kgCO 2 | VEB (KIA Soul EV), kgCO 2 |
|---|---|---|---|
| Chasis | Fabricación, uso y mantenimiento | 2000.00 | 1400.00 |
| TTW | Durante recorrido | 37800.00 | 0 |
| WTT | Recarga de batería | 0 | 5287.82 |
| Camino de combustible | 7432.17 | 0 | |
| Reemplazo de batería | 0 | 5940.00 | |
| Totales | 47232.17 | 12627.82 |
En la figura 5 se muestra la diferencia que existe entre la huella de carbono que describe un VMCI (KIA Soul) versus un VEB (KIA Soul EV), según la realidad energética del Ecuador. Complementario a los datos de la tabla 5, utilizar un VEB en Ecuador representa generar relativamente un 27% de emisiones de CO2 de lo que se genera al utilizar un VMCI.
Discusión
En primer lugar, si bien es cierto, se conoce que VMCI es más contaminante respecto a VEB, es importante evaluar cuantitativamente sus emisiones de GEI debido a que estos valores están muy relacionados con la realidad energética de cada país, y particularmente en la literatura no se encuentran reportados estos indicadores para el escenario energético del Ecuador.
Por tanto, en base a los resultados presentados en la tabla 5 y figura 5, si se considera el kilometraje de vida útil para el recorrido, entonces la huella de carbono del VEB es 63.14 gCO 2 /km, mientras que la del VMCI es 236.16 gCO 2 /km. Analizando aún más en detalle, por un lado, el VEB genera un 89% de sus emisiones de CO2 durante la fase WTT frente al 16% del VMCI, debido principalmente al reemplazo de baterías y la generación de energía eléctrica para la recarga de las mismas. Sin embargo, también es importante mencionar que, en Ecuador, dichas emisiones se generan en zonas rurales y alejadas de los centros urbanos. Por otro lado, el VEB no emite CO2 durante la fase TTW mientras que el VMCI concentra el 80% de sus emisiones de CO2 en esta fase. Considerando estos resultados, se puede afirmar que las emisiones del VMCI son más perjudiciales, no solo porque son mayores que las del VEB, sino que las mismas se generan principalmente durante la conducción en centro urbanos y extraurbanos. Respecto a las emisiones generadas por la fabricación, uso y mantenimiento del chasis o carrocería relativas a cada vehículo, el VMCI tiene un menor porcentaje que el VEB, pero esto es debido a que el VEB emite menos CO2 que el VMCI en términos generales.
Con el fin de comparar los resultados obtenidos en el presente estudio con aquellos reportados en literatura, se presenta la tabla 6, donde se puede evidenciar que las huellas de carbono de un VMCI es Ecuador con similares a las generadas en varios países de Europa y Corea (Hall & Lutsey, 2018; Jang & Song, 2015; Messagie, 2015). Sin embargo, también es notable que la huella de carbono de los VEB en Ecuador es menor que todos los trabajos consultados, y comparable con los valores registrados en Noruega y Turquía (Hall & Lutsey, 2018; Ozdemir et al., 2020). Esta baja huella de carbono registrada se debe principalmente a que Ecuador tiene una mayor participación de generación eléctrica renovable o de bajas emisiones de GEI en la red eléctrica nacional.
Figura 5: Comparativa de la huella de carbono entre un VMCI (KIA Soul) y un VEB (KIA Soul EV), considerando la realidad energética de Ecuador y un recorrido de vida útil de 200000 km.
Tabla 6: Comparación de resultados de huella de carbono obtenidos versus los reportados en bibliografía.
| Trabajo referencial | Emisiones VMCI, gCO 2 /km | Emisiones VEB, gCO 2 /km | País o Región |
|---|---|---|---|
| Messagie (2015) | 215 | 95 | Europa |
| Shen et al. (2014) | 150 | 140 | Centro y Sur de China |
| 170 | Este China | ||
| 210 | Norte de China | ||
| 190 | Noreste de China | ||
| 160 | Noroeste de China | ||
| Hall & Lutsey (2018) | 260 | 135 | Promedio de Europea |
| 85 | Francia | ||
| 180 | Alemania | ||
| 150 | Países Bajos | ||
| 70 | Noruega | ||
| 125 | Reino Unido | ||
| Ozdemir et al. (2020) | 183.4 | 73.9 | Turquía (Estambul) |
| Moro & Helmers (2017) | 178 | 96.6 | Europa |
| Jang & Song (2015) | 240 | - | Corea |
| Presente estudio | 236.16 | 63.14 | Ecuador |
Finalmente, es importante identificar ciertas acciones que podrían impactar sobre las huellas de carbono de los VEB en Ecuador. Por un lado, se debe consolidar y llevar a la práctica estrategias de reciclaje baterías de litio como el denominado "second live", hasta la recuperación de materiales, e inclusive diversificar la matriz productiva y tecnológica del Ecuador mediante la fabricación local de repuestos para vehículos eléctricos. Así mismo, las emisiones de CO2 de un VEB están relacionadas de manera inversamente proporcional con las cuotas de generación eléctrica renovable o de bajas emisiones (hidroeléctrica, eólica y fotovoltaica). Por lo tanto, ante una mayor presencia de vehículos eléctricos en el Ecuador, el estado deberá realizar una mayor inversión en infraestructura para la producción energética renovable con el objetivo de impulsar de mejor manera el proceso de descarbonización del país, como lo señalan Garcia-Pinargote, Benítez-Sornoza, Vásquez-Pérez, & Rodríguez-Gámez (2021) y Tuza Chamorro (2021).
Conclusiones
Un VEB genera emisiones por 63.14 gCO 2 /km, mientras que un VMCI genera emisiones por 236.16 gCO 2 /km, según los datos recabados de la matriz de generación energética en Ecuador. Al respecto de todo esto, el uso de VEBs en Ecuador representaría únicamente un 27% de emisiones de CO2 de lo que genera un VMCI durante una vida útil de 200000 km de recorrido. Por lo tanto, una mayor introducción de VEBs en el parque automotor resultaría sumamente beneficioso para el medioambiente en Ecuador, contribuyendo al cambio de la matriz energética y descarbonización del país, y su apreciación en el panorama internacional.
Contribución de los autores
En concordancia con la taxonomía establecida internacionalmente para la asignación de créditos a autores de artículos científicos (https://casrai.org/credit/). Los autores declaran sus contribuciones en la siguiente matriz:
Conflicto de Interés
Los autores declaran no tener conflicto de interés alguno en lo referente al presente trabajo.
Agradecimiento
Los autores agradecen al Prof. Marcelo García por sus conocimientos impartidos durante el desarrollo del programa de Maestría en Sistemas de Propulsión Eléctrica de la Universidad Técnica de Ambato. Además, se agradece a la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo por la asignación de recursos en el proyecto de investigación denominado “Convertidores DC/DC de Alta Eficiencia basado en dispositivos WBG para aplicaciones en Tecnología Vehicular Eléctrica (ConAE-TVE)”, al cual se anexa el presente trabajo.
