Vehículos eléctricos y bombas de calor: Los motores eléctricos juegan un papel crucial en la transición energética

Los motores eléctricos están implicados en dos grandes opciones de descarbonización que implican la electrificación: los vehículos eléctricos (VE) y las bombas de calor. Esto supondrá un importante crecimiento del mercado, así como crecientes responsabilidades en materia de eficiencia, flexibilidad y uso de materiales.

El sector de la energía eléctrica es el más rápido en descarbonizarse debido a la gran variedad de fuentes de energía libres de carbono que pueden generar electricidad, como la fotovoltaica, la eólica y la hidráulica. Esto significa que la electrificación puede ayudar a otros sectores a descarbonizarse rápidamente y a gran escala. Se prevé que la proporción de la electricidad en el consumo final bruto de energía en la UE aumente del 17% actual a alrededor del 60-70% en los próximos 30 años. El mayor potencial de electrificación se encuentra en la calefacción y refrigeración de edificios, el calentamiento del agua, el transporte y diversos tipos de uso de la energía industrial. La mayoría de estas aplicaciones implican motores eléctricos. En consecuencia, la cuota de los sistemas de motores eléctricos crecerá, como mínimo, junto con el proceso de electrificación, pasando del 9% actual a cerca del 30% del uso final de la energía en la UE. Teniendo en cuenta este fuerte crecimiento del mercado, también aumentará el impacto de los motores en el medio ambiente y en el funcionamiento de la red.

La electrificación del transporte

El sector del transporte es el que más contribuye a las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) relacionadas con la energía en la UE-28. La irrupción en el mercado de los vehículos eléctricos (VE) para el transporte privado podría suponer una fuerte e inmediata reducción de esas emisiones, ya que los VE tienen una eficiencia de pozo a rueda sustancialmente superior a la de los coches con motor de combustión interna (MCI) alimentados con combustibles fósiles. Además, existe un fuerte incentivo tecnológico para aumentar aún más la eficiencia energética de los motores de los vehículos eléctricos, ya que al hacerlo se incrementa la autonomía para una capacidad de batería fija. Y con la descarbonización duradera del sector de la energía eléctrica, la reducción de las emisiones de carbono conseguida por los VE seguirá aumentando.

La mayoría de los fabricantes de VE optan actualmente por motores síncronos de imanes permanentes (PMSM). Otros tipos de motores para VE son los motores de inducción de CA con rotores de cobre y los motores síncronos de campo bobinado. Sin embargo, ante la perspectiva de un futuro mercado de masas, los accionamientos eléctricos para automóviles son objeto de intensos esfuerzos de I+D, centrados, entre otros, en el desarrollo de motores con un contenido reducido de tierras raras. En los próximos años cabe esperar importantes mejoras que permitan cambiar los tipos de motor preferidos.

La electrificación de la climatización

Un tercio de las emisiones de gases de efecto invernadero de Europa puede atribuirse a los edificios, y gran parte de ellas están relacionadas con la calefacción y la refrigeración. Con la Directiva de Eficiencia Energética de los Edificios (EPBD), la UE pretende reducir las emisiones de los edificios del sector residencial y terciario en un 88-91% para 2050 en comparación con la línea de base de 1990. Dado que los índices de construcción y renovación son bajos, una tecnología instalada en un edificio podría permanecer entre 30 y 40 años o más. Esto significa que los sistemas deben diseñarse pensando en el futuro, teniendo en cuenta, en particular, la disminución duradera prevista de las emisiones de GEI procedentes de la generación de electricidad. El tipo de tecnología de calefacción preferido depende de muchos factores, pero para la mayoría de las viviendas, una bomba de calor local o un sistema de calefacción urbana altamente descarbonizado serán las opciones preferidas. Las bombas de calor se basan en un compresor accionado eléctricamente y pueden utilizarse tanto para la calefacción como para la refrigeración. Su tecnología está más madura que la de los vehículos eléctricos y no cabe esperar cambios tecnológicos fundamentales en un futuro próximo. Con la normativa de la UE, que evoluciona gradualmente hacia la imposición de edificios de consumo energético casi nulo, el sector se ve estimulado a seguir impulsando la eficiencia energética de las bombas de calor. La elección de la estrategia correcta de variación de la carga del compresor desempeña un papel importante en este sentido.

La eficiencia energética sigue en la agenda

El crecimiento previsto del mercado de los sistemas de motor hace que sea una vía eficaz de descarbonización aumentar aún más su eficiencia hasta el nivel del menor coste del ciclo de vida. La ampliación de los MEPS de diseño ecológico a otras categorías de motores y la eliminación de algunas excepciones sería un siguiente paso lógico que podría suponer un importante ahorro de emisiones de carbono. Podrían incluirse los motores pequeños y grandes, y eliminarse las excepciones de los motores con freno y los motores a prueba de explosiones, así como la posibilidad de optar por una categoría de eficiencia inferior si se combinan con un variador de velocidad (VSD). Estas cuatro medidas supondrían un ahorro total de 22,3 TWh o 9,97 millones de toneladas de_CO2eq al año. En el caso de los motores medianos y grandes, el nivel mínimo de eficiencia podría elevarse a IE4 a partir de 2022. Hacerlo sería económicamente correcto y ahorraría otros 9,3 TWh y 4,16 millones de toneladas de_CO2eq al año.

Sin embargo, el mayor potencial de ahorro energético reside probablemente en un enfoque que se centre en todo el sistema del motor en lugar de en el dispositivo aislado. El inconveniente de este "enfoque de producto ampliado" es la dificultad de traducirlo en una normativa viable. Sería útil una promoción más activa de la norma IEC 61800-9, que tiene en cuenta todo el sistema del motor, así como el desarrollo de una herramienta de software que pueda ayudar a aplicar esta norma. Otra vía -complementaria- podría ser la promoción de la eficiencia del sistema a través de la norma ISO 50001 sobre gestión de la energía y sus guías de aplicación.

Desplazar el consumo a los momentos de producción abundante

La creciente proporción de sistemas de energía renovable conectados a la red, cuya producción es naturalmente variable, hace que la tarea de los operadores de la red sea cada vez más compleja. La electricidad no sólo debe utilizarse de forma eficiente, sino que su consumo debe trasladarse en la medida de lo posible a los momentos de producción abundante. Algunos sectores con un gran número de sistemas de motor en uso están bien equipados para ofrecer esta flexibilidad. Entre ellos se encuentran la climatización de edificios (las salas bien aisladas representan una capacidad de amortiguación por sí mismas), la gestión del agua (impulsada principalmente por sistemas de bombas) y las plantas de procesos industriales. Deberían establecerse mecanismos para conectar a los usuarios de la electricidad con los operadores de la red, de modo que pueda lograrse este compromiso de gran alcance de los consumidores.

Motores en la economía circular

Por último, la transición energética sólo puede ser sostenible si se tiene en cuenta el uso de materiales. Con el Paquete de Economía Circular, la Comisión Europea también ha llegado a esta conclusión. El aumento previsto del número de motores necesarios durante la transición energética nos lleva a preguntarnos si esos motores tienen el potencial de formar parte de la economía circular.

Si los motores se componen principalmente de cobre, acero y aluminio, su potencial de agotamiento sigue siendo limitado y su nivel de reciclabilidad elevado. Los motores se han rebobinado y reciclado durante décadas. Los motores síncronos de imanes permanentes (PMSM) contienen varios metales de tierras raras que aparecen en la lista de materias primas críticas de la UE y, por lo tanto, no se recomienda que se conviertan en una parte importante de la solución para los nuevos mercados de masas. El apoyo a la investigación y la innovación debería centrarse en el desarrollo de motores sin tierras raras.

ElDiseño para el Reciclaje(DfR) tiene en cuenta el esfuerzo técnico y económico necesario para recuperar la mayor cantidad de material posible durante la reparación y la revisión y al final de la vida útil. Podría estimularse proporcionando a los compradores de motores eléctricos información sobre la reciclabilidad, por ejemplo, mediante una etiqueta de Diseño para el Reciclaje.

Los motores eléctricos tienen un futuro brillante. Si consiguen continuar con su hazaña de mejoras continuas de la eficiencia energética y, al mismo tiempo, trabajan hacia un uso responsable de los materiales, sin metales de tierras raras e incorporados a una economía verdaderamente circular, podrían convertirse en uno de los principales ganadores de la transición energética.

Más información sobre este tema en el libro blanco de Leonardo Energy EléctricoMotores eléctricos en la transición energética.