27 de diciembre de 2018 (*) actualizado a las 13:43

Enemigos de la eficiencia: la frenada térmica y la frenada regenerativa

( @@davidgartes ) el

Una de las más importantes fuentes de posible ineficiencia en cualquier vehículo es el mecanismo de frenado. Tradicionalmente, este mecanismo transforma la energía cinética (asociada al movimiento) en calor a través de los frenos. El calor es una forma dispersa de energía, una especie de despilfarro energético, pero es la forma en la que resulta más sencillo transformar la energía cinética de un vehículo para que reduzca su velocidad.

El calor es una forma dispersa de energía, una especie de despilfarro energético

Con la frenada regenerativa es posible convertir una parte de esa inercia en energía eléctrica almacenable en baterías, siendo esta una forma concentrada y útil de energía capaz de contribuir al movimiento del vehículo en un momento posterior. Parece mentira, pero la puesta en práctica de esta sola idea ha logrado que el Toyota Prius haya vendido prácticamente tres millones de unidades en todo el mundo en los últimos 14 años. Merece la pena echarle un vistazo.

Conceptos básicos de energía en un vehículo

Sistema híbrido

Tal vez el primer concepto básico de energía en un vehículo sea el de energía cinética, que es la energía asociada al movimiento. Cuando un cuerpo se mueve, posee una forma de energía que es proporcional a su masa y al cuadrado de su velocidad. Esto significa dos cosas: que es el doble de difícil detener un coche el doble de pesado y que es cuatro veces más difícil detener un coche que va al doble de velocidad. Hablamos de cantidades de energía muy importantes, no de algo residual.

Un vehículo en movimiento tiene un montón de energía cinética que habrá que transformar en otra cosa

Por otro lado, hemos oído muchas veces que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. No obstante, con unos mínimos conocimientos de termodinámica y una correcta interpretación de esta ley absoluta, sabemos que existen formas de energía útiles y formas de energía menos útiles, en relación con su dispersión y usabilidad. En este contexto, el calor es la «fosa séptica» de la energía, es la forma a evitar en todo momento en un vehículo, pues significa energía difícilmente recuperable.

Hasta aquí, tenemos que un vehículo en movimiento tiene un montón de energía cinética que habrá que transformar en otra cosa para que reduzca su velocidad. A ser posible, esa transformación debería dirigirse hacia una forma de energía utilizable por el propio vehículo para algo útil (como volver a acelerarlo después) y debemos evitar en cualquier caso que llegue a convertirse en calor, del que difícilmente podremos sacar ninguna otra cosa.

La frenada térmica transforma la energía cinética en calor

Frenada Térmica

Como ya hemos dicho, la frenada tradicional de cualquier vehículo transforma su energía cinética directamente en calor. Es una forma rápida y sencilla de decelerar un coche o un autobús, pero también es el camino más corto para tirar a la basura toda su energía cinética, convirtiéndola en calor dispersado a la atmósfera a través del mecanismo de frenado y su refrigeración.

Es el camino más corto para tirar a la basura toda su energía cinética

No es fácil hacer otra cosa con la energía cinética y, además, es importante que la capacidad de deceleración sea muy buena por razones obvias, de modo que así han sido las cosas en los últimos 100 años, casi sin excepción. Por supuesto que el motor eléctrico es más antiguo que el automóvil y por supuesto que siempre se conoció y utilizó su capacidad de convertirse en generador eléctrico, pero la complejidad de un sistema regenerador de energía y sus implicaciones técnicas a la hora de reaprovecharla (unidas a una evidente falta de interés de la industria) evitaron su popularización hasta hace bien poco.

La frenada regenerativa transforma una parte de la energía cinética en energía eléctrica utilizable

Toyota Prius

Para que un vehículo transforme su energía cinética en energía eléctrica almacenable y reutilizable, es necesario conectar un generador eléctrico al tren de rodaje y disponer de baterías para guardar esa energía. Para que pueda reutilizarse y volver a mover el vehículo, es necesario disponer de un motor eléctrico. Este es el escenario ideal para un híbrido o un eléctrico puro.

Es el escenario ideal para un híbrido o un eléctrico

La clave está en el motor eléctrico. Todo motor eléctrico es susceptible de convertirse instantáneamente en un generador eléctrico en el momento en que invierte su funcionamiento. Es como si el motor intentase dar marcha atrás mientras la inercia del vehículo lo impulsa hacia adelante. En ese momento, mientras el motor es obligado a girar en el sentido contrario al que está generando su par de giro, genera una corriente eléctrica, al mismo tiempo que genera una retención en el coche (perdemos energía cinética, ganamos energía eléctrica).

Todo motor eléctrico es susceptible de convertirse instantáneamente en un generador eléctrico en el momento en que invierte su funcionamiento

El aprovechamiento de energía que se puede lograr en estas circunstancias no es completo, y tiene sus propias pérdidas por calor, pero la energía total a recoger es tan importante y el coche frena tantas veces que, al final, permite a un híbrido apagar su motor en cada detención y ponerse en movimiento en modo eléctrico en cada arranque.

El ahorro que esto implica es muy relevante, no tanto porque la autonomía eléctrica sea ninguna maravilla, sino más bien porque los momentos en los que el mecanismo actúa son precisamente los momentos de mayor ineficiencia para un motor de combustión: el giro al ralentí en parado y el arranque durante los primeros metros. Toda esa ineficiencia queda eliminada sin consumo energético adicional (a excepción de una masa ligeramente mayor y un incremento en la complejidad del vehículo) de ahí el ahorro.

Como efecto de todo eso, un híbrido permanece apagado y en absoluto silencio en cualquier semáforo y arranca suavemente sin pérdidas de energía en la transmisión gracias a su motor eléctrico, capaz de empezar a moverse con toda su fuerza de giro desde la primera vuelta. El resto del tiempo es casi un gasolina convencional, si obviamos el hecho de que su motor de gasolina también está, normalmente, optimizado para consumir lo mínimo a costa de sus prestaciones.

Por supuesto, los híbridos y eléctricos mantienen la frenada térmica por razones de seguridad. La potencia de frenado del motor eléctrico usado como generador es bastante grande, pero sólo se aplica al eje que tiene la tracción, no puede igualar la frenada de emergencia de unos discos de freno y tampoco puede detener el coche totalmente (con la configuración normal de un híbrido). Así pues, los discos permanecen, aunque con un uso mucho menor que en un vehículo convencional.

Conclusiones

Toyota Prius

La energía cinética de un vehículo es una importantísima cantidad de energía que se pierde en cada frenada, de no existir un mecanismo de recuperación que la pueda aprovechar. La frenada regenerativa, que aprovecha la capacidad de un motor eléctrico de intentar girar en sentido contrario convirtiéndose en generador eléctrico, es una eficaz respuesta tecnológica a este problema.

En un híbrido no enchufable, como vienen siendo todos los Toyota Prius hasta hace sólo unos meses, toda la energía eléctrica proviene de este mecanismo. El hecho de que reduzcan notablemente su consumo con respecto a un coche de gasolina convencional junto con su capacidad para circular en modo eléctrico en muchos momentos, son la demostración palpable de la importancia de la frenada regenerativa y la relevancia de la energía recuperada.

Como conclusión general de este y otros artículos publicados sobre eficiencia, las pérdidas de energía por su transformación en calor son el problema a evitar en todo momento para mejorar la eficiencia de cualquier vehículo, aunque el segundo principio de la termodinámica se empeñe en impedirnos lograrlo totalmente.

En Tecmovia: Frenada regenerativa [estado de la tecnología del automóvil] | Frenada regenerativa en ferrocarriles gracias al uso de ultracondensadores

Comentarios...

  1. urbanowl

    Un artículo muy didáctico. Excelente.
    Pero tengo una duda. ¿Qué pasaría si el conductor usa muy poco el freno y el sistema no se recarga? Supongo que al final se quedará sin energía y tendría que arrancar en modo térmico. Por un lado al pisar menos el freno se ahora combustible, pero luego por otro lado se gasta más al no tener la ayuda del modo eléctrico. La pregunta sería: ¿qué es mejor: frenar mucho o frenar poco? Lo siento, no tengo ninguna experiencia con híbridos y puede que la pregunta sea una tontería. Gracias por el artículo.

    1. Anónimo

      Hola Urbanowl,
      Gracias por comentar,desde luego que la pregunta tiene todo el sentido.
      En un híbrido, en general, levantar el pie del acelerador ya implica la entrada en funcionamiento del freno regenerativo, que aplica una cierta retención al vehículo. Si pisamos ligeramente el freno se incrementa la intensidad de la regeneración y si lo pisamos aún más, hay un momento en que entran en funcionamiento los discos.
      Lo mejor es prolongar al máximo la circulación en retención, anticipándonos a las detenciones y levantando el pie del acelerador mucho antes. El freno, al final y suave.
      Saludos.

No está permitido comentar.