Analisis de Ciclo de Vida ”Tank to Wheel” para vehıculos electricos y de combustible fosilen transporte masivo para la ciudad de Bogota, Colombia

por

Nathalia Giovanna Vera Gallo

Proyecto de fin de carrera presentado para obtener el tıtulo deIngeniera Electrica

(Departamento de Ingenierıa Electrica y Electronica)en la Universidad de los Andes

2020

Evaluadores:

Guillermo Andres Jimenez EstevezMichael Bressan

AGRADECIMIENTOS

A mis padres y hermanos por ser parte de mi proceso a lo largo de la carrera,por acompanarme y apoyarme en mi proyecto de vida. A mi asesor GuillermoJimenez por su disposicion, guıa e incondicional apoyo a lo largo del proyectode grado. A la Universidad de los Andes por introducirme a la vida academica,por permitirme estudiar lo que me apasiona y por ayudarme a crecer comoprofesional. En ultimo lugar, gracias a los amigos que con su companıa yapoyo hacen cada experiencia aun mejor.

II

TABLA DE CONTENIDO

Agradecimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II

Lista de figuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V

Lista de Tablas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI

Chapter

1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2. Estado del Arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1. Marco Teorico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3. Metodologıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.1. Especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.1.1. Buses de transporte de pasajeros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.1.2. Rutas de estudio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.2. Trabajo Computacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.3. Metodologıa de Prueba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.4. Alternativas de desarrollo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

4.1. TransitBus convencional (VOLVO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144.1.1. Ciclo del vehıculo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144.1.2. Utilizacion de energıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.1.3. Emisiones del vehıculo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184.1.4. Relacion de transmision general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.2. TransitBus electrico (Yutong) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204.2.1. Ciclo del vehıculo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204.2.2. Utilizacion de energıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224.2.3. Sistema de Almacenamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.2.4. Emisiones del vehıculo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.3. Comparacion de tecnologıas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5. Validacion del trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5.1. Validacion de los resultados del trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

6. Discusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

III

7. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Appendices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

IV

LISTA DE FIGURAS

FIGURE

2.1. Tren motriz combustion interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2. Tren motriz vehıculo electrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3.1. Ruta 18-3 Caso de estudio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4.1. Ciclo del vehıculo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144.2. Ciclo simulado Vehıculo convencional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164.3. Velocidad esperada vs velocidad obtenida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164.4. Torque vs Velocidad Convencional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.5. Perdidas de energıa vehıculo convencional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184.6. Emisiones a lo largo del ciclo vehıculo convencional . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.7. Relacion de transmision general vehıculo convencional . . . . . . . . . . . . . . . . . 204.8. Ciclo simulado vehıculo TransitBus EV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204.9. Velocidad esperada vs velocidad obtenida caso EV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214.10. Torque vs Velocidad vehıculo EV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214.11. Perdidas de energıa modo de potencia TransitBus EV . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224.12. Perdidas de energıa modo regenerativo TransitBus EV . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.13. Comportamiento del sistema de almacenamiento en el tiempo . . . . . . . . . . . . . 234.14. Eficiencia en carga de Sistema de almacenamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.15. Eficiencia en descarga de Sistema de almacenamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

V

LISTA DE TABLAS

TABLE

4.1. Caracterısticas del ciclo a simular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.2. Utilizacion de energıa Vehıculo Convencional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184.3. Emisiones obtenidas Tank-to-Wheel TransitBus convencional . . . . . . . . . . . . . 194.4. Utilizacion de energıa TransitBus EV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224.5. Comparacion de alternativas en fase de operacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5.1. Valores estandar de emisiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1. Parametros ADVISOR TransitBus Convencional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332. Parametros ADVISOR TransitBus Electrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

VI

CAPITULO 1

Introduccion

Actualmente, existe una busqueda constante por la implementacion de energıas renovablesno convencionales. Esto se realiza con el fin de solucionar parcialmente la problematica medio-ambiental que se vive en la actualidad en todo el mundo. En el caso colombiano, uno de los sectoresque produce mas contaminacion corresponde al sector del transporte, especialmente en la ciudadde Bogota. Como es de esperarse, en este sector las maquinas operan a partir de tecnologıas talescomo el Diesel, tecnologıas que generan gran cantidad de emisiones desde su produccion hasta suconsumo.

A partir de la problematica, la implementacion de tecnologıas renovables en el ambito deltransporte supone una solucion eficiente. El sistema de transporte masivo corresponde al 35% deexcedencia de la normal anual del material particulado en Bogota (17). Con la implementacion debuses alimentadores hıbridos y electricos, las emisiones producidas se podrıan mejorar considera-blemente.

Evidentemente, la implementacion de estas tecnologıas y la transformacion del sector represen-ta un cambio en general en todos los factores que implica su uso. Se debe entonces estudiar dichosfactores y aspectos propios de esta tecnologıa, tales como la eficiencia de la energıa, las emisionesproducidas y por supuesto la perspectiva economica que surge de dicho cambio. Por esta razon, eldesarrollo de un proyecto que permita el estudio del Ciclo de vida es un acercamiento a lo que seesta buscando.

Ahora, el estudio de Ciclo de Vida se puede realizar para el caso colombiano para la compara-cion de buses alimentadores con motor Diesel y buses alimentadores electricos. Esta comparativapermitira ver cual de las tecnologıas es la mas adecuada a partir de todos los aspectos nombradosanteriormente para el caso de Colombia.

En el presente documento se expone el estudio de Ciclo de Vida o Well-to-Wheel especıfica-mente en el area de consumo de la energıa o bien conocido como Tank-to-Wheel para vehıculos detransporte masivo. Para dicho estudio se toma el caso especıfico de la ciudad de Bogota, Colombia,

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y su sistema de transporte masivo con TransitBus 1.Este proyecto tiene como objetivo principal realizar la comparativa entre los buses alimentado-

res convencionales de combustible Diesel y los buses alimentadores electricos. Esta comparativase realizara a partir del analisis del Ciclo de vida teniendo en cuenta la eficiencia y utilizacionde energıa y las emisiones de algunos compuestos tales como CO y material particulado que seproducen a lo largo del ciclo.

Con base en dicho objetivo, el proyecto tiene los siguientes objetivos especıficos:

Realizar una revision bibliografica basada en estudios similares para el Ciclo de Vida adapta-do al sistema de transporte masivo en Bogota, Colombia. Una vez realizada dicha adaptacion,contrastar los resultados obtenidos con los estudios ya realizados.

Definir una metodologıa de estudio para el desarrollo del proyecto y definir las condicionesiniciales o consideraciones a tener en cuenta para el caso especıfico en Colombia.

Realizar el estudio y analisis del ciclo Tank to wheel de los buses alimentadores con ayudade la herramienta ADVISOR para la simulacion a partir de condiciones iniciales especıficascorrespondientes a los buses alimentadores y el entorno en el que se espera estudiar.

Estudiar y determinar la eficiencia de energıa que poseen las tecnologıas de combustiblefosil y de motor electrico a lo largo de todo el ciclo Tank-to-Wheel.

Estudiar y determinar las emisiones de CO2 que produce cada una de las tecnologıas a lolargo de todo el ciclo Tank-to-Wheel.

Definir aspectos economicos que sugiere cada tecnologıa en el caso colombiano y realizarun analisis comparativo de las alternativas.

Se presenta a continuacion un analisis detallado de dos de las alternativas energeticas para elfuncionamiento de los buses. En primer lugar se estudia el vehıculo de combustible Diesel de com-bustion interna, y en segundo lugar se estudia el vehıculo electrico con sistema de almacenamientobasado en baterıas.

Con el Ciclo de Vida se tienen en cuenta dos aspectos principalmente: la utilizacion de laenergıa y las emisiones emitidas a lo largo del ciclo. Dichos aspectos se toman de acuerdo a es-pecificaciones de los buses, factores ambientales y situaciones cercanas a las reales. Con el finde acercar el estudio al caso especıfico de Bogota, se toma la ruta 18-3 del Sistema Integradode Transporte de la ciudad. Dentro de la ruta se consideran parametros tales como la velocidad,aceleracion, tiempo y pendiente que usualmente se registran para el bus al realizar dicha ruta.

1Sistema de transporte publico disenado especıficamente para mejorar el flujo y movilidad de pasajeros.

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Con base en las simulaciones y datos obtenidos con la herramienta ADVISOR se afirma que losbuses que poseen un mejor rendimiento para seguir la ruta especificada son los buses de combus-tible fosil. De igual manera, este tipo de tecnologıa es tambien el que presenta un mayor consumode energıa a partir de la combustion que se presenta en el tren. Ası mismo, la combustion generaemisiones en la fase de operacion que se encuentran en los estandares de Euro V.

En comparacion con los resultados de los vehıculos electricos, el consumo de energıa se vuelvepoco significativo para este tipo de tren. La energıa consumida en los vehıculos TransitBus electri-cos es del 9% de la energıa consumida en los vehıculos TransitBus convencionales a combustible.Esto supone entonces no solo una reduccion en emisiones, sino un menor consumo de energıarepresentado en la eficiencia y autonomıa de los sistemas de almacenamiento.

Aunque la eleccion de tecnologıas depende en su gran mayorıa de los requerimientos del clien-te, los buses electricos pueden satisfacer las necesidades del sistema de transporte de Bogota. Estoimplicarıa entonces una transformacion hacia tecnologıas limpias y eficientes que a largo plazo sepueden ver como una alternativa mas economica y sostenible.

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CAPITULO 2

Estado del Arte

2.1. Marco Teorico

El proyecto de grado se basa principalmente en la comparacion de la aplicacion de dos tecno-logıas en movilidad. Por tal motivo, es importante tener presente en que consiste cada una de lastecnologıas, como se aplican y de que modo se espera analizarlas.

En primer lugar se presenta la tecnologıa basada en la implementacion de combustible fosilen autobuses. Los automoviles que utilizan combustible fosil como fuente de energıa, funcionanbajo el principio de un Ciclo de Otto ideal. El ciclo de Otto se divide en cuatro partes: Compresionadiabatica, Combustion a volumen constante, expansion adiabatica y por ultimo una disipacionde calor a volumen constante. El estudio de eficiencia de energıa Tank-to-Wheel partira en unaprimera aproximacion con el Ciclo de Otto. En la figura 2.1 se evidencia el tren del motor de estetipo de vehıculos.

Figura 2.1: Tren motriz combustion interna

En segundo lugar se analizaran los buses electricos. Los buses electricos a trabajar se basan ensistemas de almacenamiento por baterıas para la carga y descarga de energıa en el vehıculo. El tren

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de motor implementado en estos vehıculos se evidencia en la figura 2.2. Como es de esperarse,dado que este sistema no hay una combustion, el vehıculo no generara emisiones durante el ciclo.

Figura 2.2: Tren motriz vehıculo electrico

Ahora, es importante definir el estudio que se esta realizando en este proyecto. El analisis deCiclo de Vida (Well to wheel) consiste en un acercamiento a la produccion y transformacion dela energıa de acuerdo a una tecnologıa. Se tiene en cuenta un analisis detallado de la eficienciade la energıa y la produccion de emisiones en un proceso. Como su nombre lo dice, este analisisespera estudiar la energıa desde un aspecto inicial donde se tiene la adquisicion o los medios ytecnologıas de las que se adquiere la energıa. La palabra ”Well”pone como referencia el pozo, ha-ciendo referencia al caso de una energıa convencional donde se tiene combustible fosil. El termino”Wheel”hace referencia entonces a la implementacion de la tecnologıa y al consumo como tal de laenergıa durante el proceso. En ambas partes del ciclo, se tienen en cuenta los aspecto de eficienciay de emisiones. En el presente estudio se hara un analisis especıfico de la seccion del Ciclo de Vidadenominado Tank-to-Well.

Como parte del estudio se deben conocer algunas de las ecuaciones necesarias para entender yhallar correctamente la utilizacion de energıa en Tank to Wheel y las emisiones que producen cadauno de los vehıculos dependiendo de su tren de motor. La utilizacion de energıa da a conocer lacantidad de combustible lıquido o energıa que consume el vehıculo durante un ciclo. Por otro lado,al hablar de eficiencia se senala la relacion entre la energıa y distancia recorrida ası como pasajeros(pkm) ??. De igual manera, aunque no es propio del estudio del proyecto, para un analisis de Ciclode Vida completo se debe tener en cuenta la energıa utilizada y las emisiones en el proceso deWell-to-Tank. A continuacion se muestran las ecuaciones correspondientes a utilizacion de energıa

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y emisiones:

Efossil,WTW =2∑

i=1

[(Eexpended,fossil,WTT + Econtent,fossil,TTW ) ∗ Euse,TTW )]i (2.1)

GHGWTW =2∑

i=1

[(GHGexpended,WTT +GHGcombustion,TTW ) ∗ Euse,TTW ]i (2.2)

donde el ındice i correponde al tipo de combustible, i = 1 hace referencia a combustible lıquido ei = 2 corresponde a energıa electrica ??.

Para el caso particular de Tank to Wheel se deben considerar para las emisiones algunosparametros y cantidades. Las emisiones se estiman utilizando un metodo de balanceo del carbon.La ecuacion para el factor de emision se define de la siguiente manera:

EFCO2,TTW =CWFfuel

LHVfuel

MCO2

MC

α1000gCO2

1kgCO2

(2.3)

dondeCWFfuel(kgC/kgfuel) es la fraccion de carbon por peso del combustible,LHVfuel(MJfuel/kgfuel)

es el valor mınimo de calor, la expresion de la segunda fraccion en la parte derecha de la ecuaciones el ratio entre el peso molecular del CO2 y el peso molecular del carbon, α es el factor de oxida-cion, y la ultima expresion es la energıa contenida del combustible. De este modo se tiene entoncesque las emisiones en combustion se definen como:

GHGcombustion,TTW = EFCO2,TTWEuse,TTW (2.4)

2.2. Antecedentes

La busqueda de informacion se realiza con diferentes fines. En primer lugar se busca infor-macion historica de proyectos y papers en los cuales se hayan realizado anteriormente estudiosrelacionados con el tema, especıficamente de Well-to-Wheel enfocado en la fase de operacion oTank-to-Wheel. De dichos artıculos se toman algunos parametros y consideraciones de la parte ini-cial del proyecto, de igual modo se buscan metodologıas para obtener la metodologıa mas acertadaen el presente caso, y finalmente se toman de allı conclusiones importantes que pueden o no sersoportadas por el presente proyecto. Se espera de igual manera lograr una comparativa con estosestudios con el fin de validar el correcto desarrollo y los resultados obtenidos en este proyecto.

Con respecto a estos estudios se resalta el trabajo de Dreier (3) como referencia principal. Estetrabajo se tiene en cuenta dada la similitud con el proyecto a desarrollar en este caso. Este autor sebasa en los TransitBus y el Ciclo de Vida correspondiente a la ciudad de Curitiba en Brasil. Dado

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que dicho informe presenta un analisis detallado de utilizacion de energıa y emisiones, se tomacomo base para el analisis de Ciclo de Vida en TransitBus en la ciudad de Bogota, Colombia.

En un primer acercamiento, D.Dreier (3) propone un analisis de Ciclo de vida o Well-to Wheelpara el uso de energıa fosil, y emisiones de tecnologıas electricas e hibrido-electricas para busesen el sistema de transporte de Curitiva, Brazil. Este analisis se realiza a partir de una metodologıaque separa todo el ciclo en dos partes, Well-to tank y Tank-to-wheel. Esto permite entonces unenfoque diferente para la produccion de energıa y para el consumo de energıa. Propone ası mismoun estudio de Tank-to-wheel a partir del software ADVISOR a partir de condiciones iniciales fijaspropias del bus y el recorrido que realiza. El estudio que se realiza toma como base el estudio rea-lizado por Dreier donde se espera obtener un comportamiento similar. De acuerdo con Dreier, losTransitBus convencionales pueden ser mas amigables ambientalmente que los hıbridos en termi-nos de WTW. De igual manera, se evidencia que la energıa en el proceso de Tank To Wheel puedevariar considerablemente, hasta mas de un 77% dependiendo de aspectos tales como los tiemposde operacion, las rutas seguidas y los tipos de buses. Es allı donde se espera encontrar la diferenciaentre los vehıculos con tren electrico y los vehıculos a combustible Diesel.

Dreier (3) dentro de las consideraciones y conclusiones, expone que el 85% de la energıa quese consume durante todo el ciclo de vida corresponde a la fase de operacion o Tank To Wheel, yel 86% de las emisiones se generan en esta misma fase. Por esta razon, el objetivo de este analisisconsiste en un enfoque hacia la fase de operacion donde se verıa una diferencia significativa entretecnologıas

En segundo lugar, Cuellar (15) realiza un estudio del ciclo de vida Well-to-Wheel referente aemisiones que corresponden al bus de sistema Transmilenio para la ciudad de Bogota en compa-racion con otros modos de transporte de pasajeros. Este estudio nos da un primer acercamiento yuna referencia para el estudio de emisiones del proyecto.

Por ultimo, J. Grutter (16) realiza un informe del rendimiento de buses hıbridos y electricosteniendo en cuenta dos casos: el sistema de transporte de la ciudad de Shenzhen en China, y elsistema de transporte masivo de Bogota en Colombia. Este informe permite un seguimiento entodos los aspectos en cuanto a energıa y en cuanto a economıa para el caso de Colombia. Asımismo, este estudio da informacion relevante para la especificacion de supuestos y consideracionesdel proyecto a desarrollar.

De igual manera, es importante tener estudios relevantes en materia de transporte masivo y enespecial de buses electricos. Dentro de estos analisis, algunos investigadores presentan estudiosen transporte masivo, entre ellos estan: Chester (2), Elgowainy (4), McKenzie (10), Xu (12) yfinalmente Zhang (14). Ahora, en aspectos de Ciclo de vida de buses electricos y automovileselectricos son relevantes los estudios de Campanari (1), Faria (6) y (9). Estos analisis se basan encasos especıficos de regiones metropolitanas y ciudades concurridas.

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Ası mismo y finalmente, se tienen algunos estudios que no se basan en el Ciclo de vida pero sıen la determinacion y desarrollo del ciclo del vehıculo de acuerdo a las ciudades o paıses. En estecaso, podemos nombrar especialmente el paper desarrollado por H Kaymaz donde analiza el ciclode TransitBus en Istabul (7).

Por otro lado, se realiza una busqueda de informacion respecto a los parametros, especificacio-nes y aspectos a tomar en cuenta. En este caso, dado que se realizan simulaciones sobre vehıculosde pasajeros, especıficamente TransitBus convencionales Diesel y TransitBus electricos se realizaun estudio detallado de las especificaciones del vehıculo. En este caso se toman de buses VolvoB8R/B8RLE Euro 5 (18) y buses Yutong E10(RHD)(19) para cada una de las tecnologıas respec-tivamente.

Por ultimo se realiza una busqueda de informacion referente a las rutas para el recorrido delbus en la simulacion. Se toma como referencia entonces la ruta 18-3 y se toman datos de ubicaciongeografica, tiempos y distancias recorridas, ası como grado de inclinacion a lo largo del ciclo yvelocidades obtenidas por el bus. Estos datos se obtuvieron de manera practica con una aplicacionde posicionamiento global o GPS y el seguimiento de la ruta en el recorrido de sentido sur a norte.

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CAPITULO 3

Metodologıa

El analisis de Ciclo de Vida se realiza para buses de transporte de pasajeros. En dicho analisis secomparara un bus de combustible fosil con respecto a un bus electrico con sistema de baterıas. Seutiliza entonces una referencia correspondiente a cada tecnologıa como base y modelo de estudio.En el caso de los buses electricos se utiliza la referencia Yutong E10 y para el caso de buses encombustible fosil se implementa la referencia Volvo B8R/B8RLE con estandares Euro V. Parallevar acabo el proyecto se tienen en cuenta los siguientes pasos:

Busqueda de informacion basada en los elementos que son necesarios para el correcto anali-sis de Ciclo de vida en la fase de operacion. Dentro de esta informacion, se tiene en cuentala teorıa que comprende la fase de operacion. De igual manera, la busqueda debe incluirlos factores necesarios para realizar el analisis, es decir, parametros, condiciones iniciales ysupuestos definidos.

Definir los parametros, condiciones iniciales y supuestos a tomar para el caso especıfico. Eneste se debe tener en cuenta la informacion relacionada con las especificaciones de los busesen cuanto al tren motriz que presenta cada uno de los casos. Se deben fijar parametros encada uno de los elementos del tren tales como la transmision, el convertidor de combustibley las cargas auxiliares, por nombrar algunos.

Definir la ruta que se va a tomar para modelar el ciclo del vehıculo en su operacion. Paraello, se selecciona una ruta especıfica del Sistema Integrado de Transporte de Bogota.

Se realiza la toma de datos de velocidad, aceleracion y elevacion en el tiempo de la rutaa estudiar. La toma de datos se realiza a partir de la implementacion de una aplicacion develocımetro y una medicion en tiempo real siguiendo la ruta.

Familiarizarse con el software de simulacion ADVISOR, estudiar las configuraciones prees-tablecidas, tomar supuestos y modificar parametros de acuerdo con las necesidades. En lamayorıa de los casos se parte de sistemas predeterminados con modificaciones.

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Se implementan los cambios en el software de tal modo que se ajuste al caso de estudio. Paraestas simulaciones en especıfico, los parametros y configuraciones junto con sus modifica-ciones se encuentran en la seccion de anexos (Ver tablas 1 y 2).

Se realiza la simulacion para cada uno de los casos. De estas simulaciones se espera observarun comportamiento adecuado en el seguimiento de la ruta especificada y valores normalesen el consumo de energıa y emisiones en el proceso.

Analizar los resultados obtenidos de modo que estos se encuentren dentro de los valoresestandares en cuanto a energıa y emisiones.

Una vez se tengan resultados acertados, se evalua cada una de las alternativas tecnologicas yse realiza una comparacion entre ellas. Es importante recalcar que se deben tener en cuentaaspectos tales como el seguimiento de la ruta y el desempeno del bus, el consumo de energıay finalmente las emisiones que se producen en esta etapa.

El analisis cuenta con un estudio teorico tanto en Well-to-Tank y Tank-to-Wheel. Este estudiopermite obtener estimaciones teoricas en cuanto a la funcion de la energıa en todo el proceso comolas emisiones que puedan obtenerse. En el caso especıfico de Tank-to-Wheel se implementa laherramienta de simulacion antes mencionada, ADVISOR.

3.1. Especificaciones

3.1.1. Buses de transporte de pasajeros

Dado que se espera realizar la comparacion entre buses con combustible fosil y buses electricosse utiliza una referencia correspondiente a cada tecnologıa.

3.1.1.1. Combustible fosil

La referencia de estudio corresponde al bus Volvo B8R/B8RLE Euro 5. En la referencia (18)se pueden visualizar algunas de las caracterısticas importantes para su analisis. Esta referenciaacerca el estudio al caso especıfico de la ciudad de Bogota dado que son los buses que se utilizanactualmente en el Sistema de transporte en la ciudad.

Por otro lado, de acuerdo a las especificaciones del TransitBus Volvo se introducen los parame-tros mas relevantes en la herramienta ADVISOR para el desarrollo de las simulaciones esperandoun acercamiento a la realidad.

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3.1.1.2. Electricos con baterıas

La referencia de estudio corresponde a los buses Yutong E10(RHD) completamente electricosy sistema de almacenamiento en baterıas. Los buses que se escogen en este caso correspondena buses que ya han sido incorporados en el Sistema de Transporte de la ciudad e Bogota. Lasespecificaciones mas importantes se encuentran en la referencia (19).

En cuanto a las simulaciones realizadas en ADVISOR se definen los parametros para su estudiode acuerdo a la referencia dada. Allı se considera entonces una configuracion para el sistema dealmacenamiento de las baterıas como aspecto diferenciador con respecto al bus convencional. Deigual manera, no se tienen en cuenta parametros correspondientes a las emisiones que se puedenproducir por la ausencia de consumo de combustible.

3.1.2. Rutas de estudio

El Ciclo de Vida en el segmento correspondiente a Tank-to-Wheel se ve afectado por el re-corrido de los buses. En esta ruta se deben tener en cuenta aspectos tales como la velocidad yaceleracion que experimenta el vehıculo, las pendientes y el frenado del bus a lo largo de un re-corrido especıfico. En este caso, se tomara como principal ruta de estudio la ruta 18-3 del SistemaIntegrado de Transporte en Bogota. El mapa de la ruta se presenta en la figura 3.1. Para esta rutase realiza un analisis inicial de la distancia recorrida y la elevacion que se presenta en diferentespuntos del recorrido. Estos datos iniciales se toman como condiciones iniciales en el software desimulacion.

Figura 3.1: Ruta 18-3 Caso de estudio

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3.2. Trabajo Computacional

Para el desarrollo del proyecto, como se menciona en ocasiones anteriores, se utiliza una herrra-mienta de simulacion denominada ADVISOR. Esta herramienta surge como un software disenadoen Matlab y ejecutado en Matlab. Como parte de la herramienta, ADVISOR permite la visualiza-cion de librerıas que componen el software de simulacion. Entre estas librerıas se evidencia unaespecialmente util denominada ”data”.

La librerıa ”data”permite el acceso directo a los codigos de programacion de partes tecnicasdel vehıculo. Las secciones a las cuales se puede acceder y por tanto modificar son:

Accesory: Hacen referencia a las cargas auxiliares adicionales al tren que deben ser consi-deradas.

Control: El control del motor es el que determina si el motor debe estar encendido o apagadoy a que velocidad debe ser activado el ciguenal.

Drive Cycle: Este ciclo corresponde a la ruta y los parametros que debe seguir el vehıculoen la simulacion.

Energy Storage:Modela el sistema de baterıas de un vehıculo electrico. Se tienen cuatromodelos que permiten un comportamiento no lineal y esperado. En este caso se utiliza elmodelo de cargas capacitivas y resistivas.

Exhaust: Simula el exhosto del convertidor de combustible para el vehıculo. Para el casode combustion interna, se compone de un colector, una bajante, un conversor catalıtico yun silenciador. La salida principal de este sistema corresponde a las emisiones del tubo deescape (HC, CO, NOx, and PM) en funcion del tiempo.

Fuel Converter: Simula la fuente de energıa del vehıculo. En el caso de combustion internase convierte el combustible en energıa utilizable para el tren motriz.

Generator: El generador traduce el torque y las velocidades dadas, por un motor de calor, auna potencia electrica.

Motor: El controlador del motor traduce el torque y las velocidas pedidas, a potenciaselectricas pedidas y las convierte en potencia actual para salida de velocidad y torque.

Transmission: Transmite el torque desde el motor hasta el eje. Esta se compone de la cajade cambios y un conversor hidraulico de torque.

Vehicle:Se consideran calculos de balance de fuerzas y velocidades que influyen en las llan-tas. Aquı por tanto se definen los pesos relativos al chasis del vehıculo.

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A partir de los parametros y librerıas anteriormente definidas, se ejecuta el programa y se selec-cionan configuraciones guardadas de acuerdo con las necesidades. Como parte de los resultadosobtenidos por la simulacion, se puede evidenciar el comportamiento del ciclo, el manejo de la cajade cambios y el almacenamiento durante el ciclo. Finalmente se presenta un comportamiento delescape y las emisiones producidas por el mismo. Adicional a ello se presenta un analisis de lautilizacion de energıa en kJ, y graficas que muestran las perdidas en modo de potencia y modoregenerativo para el caso de los vehıculos electricos e hıbridos.

3.3. Metodologıa de Prueba

Para la validacion del trabajo se hara uso de diferentes referencias y aspectos que permitan com-probar que tan acertados son los datos obtenidos. En primer lugar se valida que los datos obtenidostienen sentido a partir de las curvas presentadas en la simulacion. Como una primera aproximacionse debe evidenciar que el bus cumple con la trayectoria definida parcialmente. Esto evidencia queel comportamiento del bus dentro del ciclo es coherente y puede arrojar los resultados esperados.

De igual manera es importante validar la energıa obtenida para cada uno de los casos y elgasto dependiendo de la parte del tren del bus. Para comprobar la certeza de los datos de energıa,se realiza la comparacion con algunos de los artıculos de investigacion que ya se han realizadoanteriormente. En este caso, la referencia mas relevante consiste en el paper del caso de Curitivapor Dreier (3). De igual manera se tienen en cuenta los estudios antes mencionados.

Para las emisiones obtenidas, ADVISOR tiene como parte de la documentacion una validacionde las emisiones basado en valores estandar de cada una de las emisiones. Recordemos que entrelas emisiones que se presentan dentro de los resultados se tiene hidrocarburos (HC), Monoxi-do de Carbono (CO), oxidos de nitrogeno (NOX) y finalmente material particulado (PM). Estosestandares hacen parte de la base de datos de NREL.

3.4. Alternativas de desarrollo

Debido a que se trabaja con una herramienta de simulacion predisenada, se tienen ya algunasconfiguraciones guardadas en librerıas para diferentes tipos de vehıculos. El estudio toma comobase algunas de estas configuraciones en base a la similitud con el bus escogido pero se realizancambios de algunos otros parametros de acuerdo a las necesidades. Entre los parametros en loscuales se realizaron modificaciones es importante resaltar el sistema de transmision y el sistema deconversion de combustible, en los cuales se realizan cambios en la caja y en el torque y velocidadesdel conversor.

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CAPITULO 4

Resultados

Los resultados se ilustran de acuerdo a dos configuraciones especıficas, las creadas para elcaso de vehıculos de combustion interna convencionales, y el caso de vehıculos electricos conalmacenamiento por baterıas. En las siguientes subsecciones se ilustran los resultados de cada unade las tecnologıas.

4.1. TransitBus convencional (VOLVO)

4.1.1. Ciclo del vehıculo

El ciclo del vehıculo de acuerdo a la herramienta ADVISOR se simula de manera que se obtie-ne:

Figura 4.1: Ciclo del vehıculo

De acuerdo con los datos, la curva azul corresponde a la curva de velocidades en el tiempo.

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La curva verde por otro lado, hace referencia a la curva de elevacion, esta se evidencia como elcambio en elevacion al nivel del mar de acuerdo con la gradeabilidad 1.

Con las siguientes caracterısticas:

Cuadro 4.1: Caracterısticas del ciclo a simular

Caracterısticas del cicloTiempo 4669s

Distancia 27.65km

Max. Velocidad 57.64km

Velocidad prom 21.32km

Max. Aceleracion 3.02m/s2

Max. Desaceleracion -2.05m/s2

Aceleracion prom 0.27m/s2

Desaceleracion prom -0.19m/s2

Inactividad 4s

Num. Paradas 3

Max Grad. Subida 25 %

Grad. Subida prom 2.8 %

Max Grad. Bajada 34.7 %

Grad.Bajada prom 3 %

Esta curva se obtuvo de mediciones experimentales con la ruta 18-3. De acuerdo con la rutaque siguio el bus en ese instante se presenta gran cantidad de fluctuaciones que pueden dificultarla simulacion del vehıculo. En el caso del vehıculo Diesel convencional, ADVISOR evidenciaproblemas para seguir esta ruta de la misma manera. De igual forma, los resultados obtenidos sellevaran acabo siguiendo una ruta similar permitida por el vehıculo simulado.

La ruta seguida por el vehıculo simulado se evidencia entonces en la figura 4.2. Aunque poseeun comportamiento muy similar al esperado, en algunos de los casos el software presenta adver-tencias en la ejecucion dado que el vehıculo no puede seguir el mismo ciclo. En muchos casosestas diferencias se experimentan por la dificultad de seguir la gradeabilidad que posee el ciclo.Estos cambios drasticos de gradeabilidad se pueden producir por discrepancias en los datos.

1Cambio en la pendiente del ciclo.

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Figura 4.2: Ciclo simulado Vehıculo convencional

La etiqueta ”kpha”de la grafica anterior corresponde al ciclo que sigue el vehıculo, y la etiquetacyc kph r” hace referencia al ciclo introducido en el software ADVISOR que se espera que elvehıculo siga.

De manera mas detallada se pueden ver las diferencias entre la velocidad esperada y la veloci-dad obtenida en el ciclo del vehıculo (Ver figura 4.3).

Figura 4.3: Velocidad esperada vs velocidad obtenida

La relacion entre la velocidad y el torque a lo largo del recorrido se evidencia en la figura 4.4.

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Figura 4.4: Torque vs Velocidad Convencional

4.1.2. Utilizacion de energıa

La utilizacion de energıa es el aspecto mas importante del estudio. La eficiencia de la tecnologıaes lo que va a traer consigo la determinacion y la adecuada seleccion de la tecnologıa. La utilizacionde energıa en el caso de combustion interna se va a ver principalmente en el combustible y elproceso de transformacion del combustible en energıa mecanica. Los resultados del consumo deenergıa en terminos de kJ se evidencian en la tabla 4.2.

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Cuadro 4.2: Utilizacion de energıa Vehıculo Convencional

Utilizacion de energıa (kJ)Entrada Salida Perdida Eficiencia

Combustible 0 609478 - -

Convertidor 609478 198696 410782 0.33

Embrague 132866 128338 4528 0.97

Caja de cambios 148338 109087 19251 0.85

Transmision final 109087 109087 0 1

Llanta/Eje 109087 106471 2616 0.98

Frenado - - 37660 -

Cargas Aux. 93380 0 93380 0

Aero - - 7516 -

Rolling - - 36917 -

Esta informacion se puede visualizar de una mejor manera a partir de la figura de perdidas 4.5.

Figura 4.5: Perdidas de energıa vehıculo convencional

4.1.3. Emisiones del vehıculo

Para el caso del vehıculo Diesel, se va a presentar un valor significativo en cuanto a las emi-siones producidas. Esta produccion de contaminantes se debe principalmente a la propulsion concombustible lıquido en el bus. En la tabla 4.3 se presentan las emisiones obtenidas en este ciclo(Se debe tener presente que el bus simulado posee 330hp). De igual manera se puede observar el

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comportamiento y las emisiones que va emitiendo el vehıculo a lo largo del recorrido (Ver figura4.6).

Cuadro 4.3: Emisiones obtenidas Tank-to-Wheel TransitBus convencional

Emisiones (g/kWh)HC CO NOx PM0.15 0.024 6.08 0.01

Figura 4.6: Emisiones a lo largo del ciclo vehıculo convencional

Aunque el monoxido de carbono suele ser el compuesto mas conocido en cuanto a emisiones,en realidad este es bastante reducido en comparaciones con los Oxidos de Nitrogeno y los hidrocar-buros. De acuerdo con la figura 4.6 se evidencia que los hidrocarburos se producen en su mayorıaal inicio del ciclo, mientras que los oxidos se producen continuamente en todo el recorrido.

Para el caso del dioxido de carbono se toma como referencia el consumo de combustiblediesel en el recorrido. De acuerdo con los datos obtenidos, el consumo de combustible fue de61.8L/100km lo que hace referencia entonces a emisiones de CO2 correspondientes aproxima-damente a 1632g/km. Este resultado es considerablemente alto teniendo en cuenta los valores deemisiones estandares para los demas compuestos que se generan. Estas emisiones tan elevadas sepueden producir por el constante cambio que se evidencia en el ciclo implementado. Dado que enmuchos casos el software modela casos hipoteticos y ciclos sencillos, es posible que no modele dela mejor manera el consumo de combustible en los casos en los cuales hay cambios constantementeen el ciclo.

4.1.4. Relacion de transmision general

Como parte de los resultados, de igual manera se obtiene el comportamiento de la transmisiona lo largo del recorrido. Sabemos que este aspecto puede influir de manera significativa en elconsumo de combustible y en el consumo de energıa durante el ciclo del vehıculo. Con base a

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esto, en la figura 4.7 se evidencia el comportamiento de la relacion de transmision general, la cualpermite observar el funcionamiento de la caja de cambios a partir de la relacion entre el torque yla velocidad del vehıculo.

Figura 4.7: Relacion de transmision general vehıculo convencional

4.2. TransitBus electrico (Yutong)

4.2.1. Ciclo del vehıculo

El ciclo del vehıculo que se espera modelar posee las mismas caracterısticas que el de combus-tion interna (Ver figura 4.1). De igual manera, en la figura 4.8 se muestra el comportamiento delvehıculo siguiendo este ciclo en la simulacion.

Figura 4.8: Ciclo simulado vehıculo TransitBus EV

Como se puede observar, en comparacion con el ciclo obtenido en el caso convencional, seobservan mas discrepancias que pueden ser un aspecto determinante a la hora de escoger la mejoralternativa energetica del vehıculo.

En la figura 4.9 se hace evidente que la diferencia entre las velocidades esperadas y las veloci-dades adquiridas es mucho mayor al caso convencional.

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Figura 4.9: Velocidad esperada vs velocidad obtenida caso EV

Los valores de velocidad respecto al torque, se presentan entre los 1000rpm y los 2000rpm ypara valores de torque entre -100Nm y los 500Nm (Ver figura 4.10)

Figura 4.10: Torque vs Velocidad vehıculo EV

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4.2.2. Utilizacion de energıa

En este caso la utilizacion de la energıa radica principalmente en el motor y el controladordel vehıculo. Dado que hay ausencia de consumo de combustible se puede obtener una mayoreficiencia y puede ser mas evidente la utilizacion de energıa en otras partes del tren motriz. En latabla 4.4 se evidencia la utilizacion de energıa del vehıculo en kJ. De igual manera, en las figuras4.11 y 4.12 se muestra de manera general el consumo de energıa tanto en el modo de potenciacomo en el modo regenerativo que se presenta en los vehıculos electricos.

Cuadro 4.4: Utilizacion de energıa TransitBus EV

Utilizacion de energıa (kJ)Modo de potencia Modo regenerativo

Entrada Salida Perdida Eficiencia Entrada Salida Perdida EficienciaAlmacenamiento de energıa 6211 71351 1621 0.85 - - - -

Energıa almacenada -6876 - - - - - - -

Motor / Controlador 71351 51414 19937 0.72 7545 6211 1334 0.82

Caja de cambios 51414 40594 10820 0.79 7907 7545 0 1

Transmision final 40594 40594 0 1 7907 7907 0 1

Llanta/Eje 40594 36253 4342 0.89 15257 15046 211 0.99

Frenado - - - - - - 7139 -

Aero - - 849 - - - - -

Rolling - - 7015 - - - - -

Figura 4.11: Perdidas de energıa modo de potencia TransitBus EV

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Figura 4.12: Perdidas de energıa modo regenerativo TransitBus EV

4.2.3. Sistema de Almacenamiento

El sistema de almacenamiento en vehıculos electricos juega un papel crucial en el desarrollode las actividades y funcionamiento adecuado. El comportamiento que tiene el sistema de alma-cenamiento por baterıas para el bus Yutong se muestra en la figura 4.13. Como es de esperarse ladescarga de las baterıas no es lineal. Para el comportamiento de las baterıas se utilizo el modeloRC.

Figura 4.13: Comportamiento del sistema de almacenamiento en el tiempo

De igual manera, se puede evidenciar la eficiencia del sistema de almacenamiento en modo decarga y descarga, estas se muestran en las figuras 4.14 y 4.15 respectivamente.

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Figura 4.14: Eficiencia en carga de Sistema de almacenamiento

Figura 4.15: Eficiencia en descarga de Sistema de almacenamiento

4.2.4. Emisiones del vehıculo

En este caso, dado que el vehıculo es completamente electrico, en la fase operativa no produceningun tipo de emisiones. De este modo, las emisiones emitidas solo corresponden a la fase deproduccion de energıa o al finalizar la vida util del sistema de almacenamiento.

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4.3. Comparacion de tecnologıas

De manera mas explicita se muestra una comparacion de los aspectos mas importantes para laseleccion de cada una de las tecnologıas (Ver tabla 4.5). De manera resumida se puede observar queel consumo en el caso del bus convencional es mucho mas elevado que en el caso electrico. Estecaso tambien presenta emisiones a diferencia del caso del bus electrico. En el unico aspecto quese puede observar un mejor desempeno del bus de combustion interna corresponde al porcentajefuera de ruta. En este caso se puede observar que el desvıo corresponde apenas al 1,04%.

Cuadro 4.5: Comparacion de alternativas en fase de operacion

TransitBus Convencional TransitBus ElectricoConsumo Energıa 22.16MJ/km Potencia Regenerativo

1.6MJ/km 1.9MJ/km

Eficiencia total del sistema 28.3 % 59.51 %

Mayor consumo Convertidor de combustible Motor/Controlador

Emisiones estandar Euro V(g/kWh)

HC CO NOx PM HC CO NOx PM

0.15 0.024 6.08 0.01 0 0 0 0

Emisiones CO2 1632g/km 0

Porcentaje fuera de ruta 1.0388 % 7.454 %

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CAPITULO 5

Validacion del trabajo

5.1. Validacion de los resultados del trabajo

Para el caso del vehıculo TransitBus convencional, se presenta un consumo total de energıaequivalente a 22.16MJ/km. De esta energıa, lo que corresponde al gasto generado por el convertidorde combustible es aprovimadamente 14.86MJ/km. De acuerdo con los datos estandar de papersanteriores tales como Dreier (3), los valores usuales de energıa consumida por kilometro recorridose encuentran entre los 20MJ/km y los 25MJ/km. De acuerdo con esto, los valores obtenidos deenergıa son cercanos a lo esperado y de hecho se encuentran cercanos a los valores mınimos deenergıa.

Por otro lado, las emisiones que se presentan en la simulacion correspondientes a Tank toWheel se comparan con los estandares para Chile en el caso de vehıculos de carga Euro V. Deacuerdo con esto, los resultados no se acercan mucho a los estandares y se mantienen bastantebajos. En este caso, los estandares para cada uno de las emisiones se muestran el la tabla 5.1.

Cuadro 5.1: Valores estandar de emisiones

Emisiones (g/kWh)HC CO NOx PM0.46 1.5 3.5 0.02

De acuerdo con la tabla anterior y comparando con las emisiones obtenidas, se evidencia queel valor de las emisiones de los oxidos de nitrogeno son muy elevadas para los estandares. Estose puede deber a diferentes factores tales como la fluctuacion tan significativa de las aceleracionesen el ciclo. De igual manera se evidencia que las emisiones en los demas factores son reducidascomparado con los estandares. Esto puede deberse a que se utiliza una de las generaciones masrecientes de Euro V para las simulaciones. El material particulado en este caso sı se asemeja a los

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estandares, es bastante reducido y esto se debe a que el Euro V busca minimizar las emisiones enmaterial particulado.

En el caso de los vehıculos electricos simulados, se presenta el caso de un TransitBus contren motriz electrico con baterıas. La perdida de energıa evidenciada en las simulaciones es de1.6MJ/km para el caso de potencia, y de 1.9MJ/km para el modo regenerativo. Dado que en estecaso no se presenta consumo de combustible, no se presenta una perdida significativa de energıa.Es por esta razon que la baterıa tiene una autonomıa de mas de 4 horas.

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CAPITULO 6

Discusion

Con el fin de obtener una comparacion certera y una afirmacion sobre la mejor tecnologıa sedeben tener presentes varios aspectos. Para la seleccion de la tecnologıa se consideran los siguien-tes:

Seguimiento del ciclo definido por el vehıculo simulado.

La utilizacion de energıa en el vehıculo.

La eficiencia de los sistemas de almacenamiento correspondientes a los vehıculos electricos.

Las emisiones obtenidas en la fase de operacion por ambos vehıculos.

En primer lugar, el seguimiento del ciclo por cada uno de los vehıculos es similar, mas aun es evi-dente que el vehıculo mas eficiente para seguir dicho ciclo consiste en el TransitBus convencional.El hecho de que para este vehıculo sea mas facil recorrer dicho camino con las mismas veloci-dades y gradeabilidad se puede deber a la facilidad de cambio en la relacion total de la caja decambios del vehıculo. En la figura 4.7 se puede observar que existe un constante cambio en la cajade cambios de manera que se mantenga la relacion velocidad y torque. Esto genera una diferenciasignificativa con el caso electrico debido a que en este caso la caja busca mantener siempre cons-tante la relacion entre velocidad y torque de la caja de cambios. Cabe resaltar que la potencia quecada uno de los vehıculos posee, difere considerablemente y por tanto puede generar discrepanciasa la hora de seguir el ciclo. Para el caso del vehıculo TransitBus convencional, la potencia es de330hp, mientras que para el caso del vehıculo TransitBus electrico, la potencia que posee es de288hp.

Otro de los aspectos relevantes corresponde a la utilizacion de la energıa. Como se mencionoen el capıtulo anterior, la utilizacion de la energıa para el caso del TransitBus convencional sebasa principalmente en el consumo del combustible y el proceso de combustion como tal. La fasede combustion corresponde a aproximadamente al 67% de la energıa total consumida durante el

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ciclo del vehıculo. Los valores de perdida de energıa totales se mantienen en aproximadamente22.16MJ/km para el caso de combustion interna. Estos valores se encuentran en el rango normalde consumo de energıa teniendo en cuenta parametros tales como el numero de pasajeros, lascargas auxiliares como el aire acondicionado, y el sistema de frenado.

Dado que el tren motriz del TransitBus es completamente diferente al sistema de combustioninterna, el consumo de energıa que se evidencia en la fase de operacion se centra entonces en otraspartes del tren. En este caso, el mayor consumo de energıa se presenta en el motor o controlador.Aunque su consumo es considerable con respecto a las otras cargas, este tambien es muy reducidoen comparacion con el convertidor de combustible en el caso convencional. La energıa consumidapor el motor y controlador corresponde a apenas 0.769MJ/km, y la energıa total consumida por elvehıculo es de 1.94MJ/km.

Al comparar ambas tecnologıas, se hace evidente que la utilizacion de energıa en el caso delvehıculo electrico es considerablemente menor que el caso del vehıculo Diesel. Tomando el con-sumo de energıa, la perdida de energıa para el vehıculo electrico es aproximadamente el 9% de laenergıa consumida por el vehıculo de combustion interna. De igual manera, aunque existe un con-sumo elevado de energıa por parte del bus convencional, la eficiencia del sistema en ambos casosno difiere significativamente. Como se evidencia en los resultados, la eficiencia que correspondeal bus Diesel es de 7,3% y la eficiencia del bus electrico es de 11,8%

Tomando como punto de vista el consumo de energıa en el caso del vehıculo electrico, se hacenecesario un estudio de la eficiencia que presentan las baterıas para saber la autonomıa que estaspodrıan tener al realizar los recorridos. El sistema de almacenamiento como tal tiene una eficienciadel 85% y de acuerdo a las figuras 4.14 y 4.15 se mantiene constante a lo largo de todo el cicloentre el 80% y 90% para la carga, mientras que en la descarga, la eficiencia va reduciendo conel tiempo pero se mantiene mayor al 80%. Los valores de eficiencia por tanto se ubican entre losvalores normales y la autonomıa de las baterıas se encuentra alrededor de las 3 o 4 horas.

Como ultimo aspecto a tener en cuenta, las emisiones producen un impacto ambiental quese busca reducir al mınimo. De acuerdo a los resultados obtenidos es evidente que existe unaemision para el caso del vehıculo convencional. De igual manera, aunque los valores se encuentrendentro de los valores estandares para EURO V, el hecho de que el vehıculo convencional produzcaemisiones y el vehıculo electrico no, ya supone una desventaja sobre esta tecnologıa (Diesel). Esimportante resaltar que las emisiones de CO2 que no hacen parte de los estandares y constituyen lamayor contaminacion, corresponde a un valor muy elevado de cerca de 1632g/km. Aunque estosvalores se obtienen a partir del consumo de combustible de la simulacion, puede que estos seencuentren elevados para un caso real. De todas maneras, las emisiones tan elevadas en cuanto aeste compuesto, sugieren una pronta transformacion a vehıculos electricos dado que no representanvalores significativos de emisiones.

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CAPITULO 7

Conclusiones

La tecnologıa de combustion interna es una tecnologıa mas eficiente en terminos de desempenoa la hora de su implementacion. Los vehıculos electricos poseen una menor capacidad de potenciay por tanto, pueden no cumplir con todas las necesidades. Mas aun, considerando que el caso espara la ciudad de Bogota y que las fluctuaciones del ciclo pueden ser dadas por la incertidumbre dela medicion, los buses electricos estarıan en la capacidad de cumplir con todas las funciones paraser incorporados en el sistema de transporte.

Respecto a la energıa consumida en cada uno de los casos, se muestra una tendencia hacialos vehıculos electricos con sistema de almacenamiento. Esto se debe a grandes rasgos porque nohay un consumo de combustible como en el caso del TransitBus convencional, el cual hace que elconsumo de energıa se encuentre muy por encima del consumo de energıa del caso electrico. En elvehıculo electrico la energıa perdida durante el ciclo corresponde a menos del 10%.

Las emisiones en la fase de operacion son nulas para el tren motriz electrico. Contrario a esto,el vehıculo convencional por su utilizacion de combustible, genera valores en cuanto a las emisio-nes. Para este caso particular se presento un valor alto en cuanto a los oxidos de nitrogeno peroconsiderablemente bajo para las demas emisiones. En gran parte aunque las nuevas generacionespermiten una disminucion significativa de las emisiones, estas se siguen presentando.

Tomando entonces la comparacion de las dos tecnologıas se afirma que la mejor tecnologıapara el sistema de transporte de la ciudad de Bogota corresponde al vehıculo TransitBus electricocon sistema de almacenamiento. Es importante resaltar que aunque las baterıas pueden generar unimpacto ambiental a futuro, la vida util de las mismas es bastante larga y por tanto el impacto puedeser menor al que producen las emisiones en los vehıculos de combustion interna. Recordemos queestos resultados de Ciclo de Vida se basan solamente en la fase de operacion o ”Tank-to-wheel”.Es importante reconocer que la fase de ”Well-to-Tankcontribuye en aproximadamente 20% de lasemisiones. De acuerdo con esto, se espera continuar con la investigacion relacionada con vehıculosde transporte masivo para la fase de produccion de energıa. Con el estudio de esta fase se puedeobtener un analisis completo de analisis de Ciclo de Vida.

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[19] Yutong. E10 Full Electric Bus Datasheet. (2018).

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ANEXOS

Cuadro 1: Parametros ADVISOR TransitBus Convencional

TransitBus Convencional

Accesory ACC-HEAVY Cargas auxiliares del TransitBus convencional

Control PTC-HEAVY Control gearbox

Drive cycle CYC-SKELETONSe modifica todo con dato de velocidad vs tiempo y gradeabilidad vs tiempo.

Estos datos se obtuvieron de mediciones con acelerometro de la ruta 18-3.

Energy storage ESS-NULL No storage

Exhaust EX-CI Exosto generico para vehıculos de combustion interna

Fuel converter FC-CI205emisSe toma referencia para vehıculos de carga y se cambia cilindaje a 7.7L y

torques y velocidades de acuerdo a datasheet Volvo.

Generator GC-NULL No aplica

Motor N/A No aplica

Transmission ZFECOLIFE6AP1200CSe modificaron ratios y numero de cambios de acuerdo a datasheet.

Automatica 6 velocidades.

Wheel WH-HEAVY Referencia 295/75R22.5

Vehicle VEH-RTS06 Chasis de TransitBus articulado

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Cuadro 2: Parametros ADVISOR TransitBus Electrico

TransitBus EVAccesory ACC-HEAVY Cargas auxiliares del TransitBus convencional

Control PTC-EV Control gearbox

Drive cycle CYC-SKELETONSe modifica todo con dato de velocidad vs tiempo y gradeabilidad vs tiempo.

Estos datos se obtuvieron de mediciones con acelerometro de la ruta 18-3.

Energy storage ESS-PB91Capacidad de 91Ah, las baterıas Yutong son de 90Ah. Se modela bajo

cargas resistivas y capacitivas.

Exhaust EX-NULL No aplica

Fuel converter FC-NULL No aplica

Generator GC-NULL No aplica

Motor MC-AC75Motor con modificaciones de torque y velocidades de acuerdo a datasheet

Yutong.

Transmission ZF4HP590Se modificaron ratios y numero de cambios de acuerdo a datasheet.

Manual 4 velocidades.

Wheel WH-HEAVY Referencia 295/75R22.5

Vehicle VEH-RTS06 Chasis de TransitBus articulado

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