Novasinergia 2022, 5(2), 58-75. https://doi.org/10.37135/ns.01.10.04 http://novasinergia.unach.edu.ec
Artículo de Investigación
Evaluación de la huella de carbono de vehículos con motor eléctrico y de
combustión interna según la matriz energética de Ecuador:
Caso de estudio KIA Soul vs KIA Soul EV
Carbon footprint evaluation of vehicles with electric motor and internal combustion engine
according to Ecuador energetic matrix: Study case KIA Soul vs KIA Soul EV
Jorge Hernández-Ambato1,2,* , Ricardo Fernández2 , Alex Mora2, José Alvarado2
1 Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador, 060150; rfernandez_551@hotmail.com; amora@institutos.gob.ec
2 Universidad Técnica de Ambato, Ambato, Ecuador, 180103; jalvarado33@hotmail.es
*Correspondencia: jhernandez@espoch.edu.ec
Citación: Hernández-Ambato, J.,
Fernández, R., Mora, A., &
Alvarado, J., (2022). Evaluación de
la huella de carbono de vehículos
con motor eléctrico y de
combustión interna según la matriz
energética de Ecuador Caso de
estudio: KIA Soul vs KIA Soul EV.
Novasinergia. 5(2). 58-75.
https://doi.org/10.37135/ns.01.10.04
Recibido: 07 noviembre 2021
Aceptado: 07 junio 2022
Publicación: 05 julio 2022
Novasinergia
ISSN: 2631-2654
Resumen: En este trabajo se presentan los resultados de la evaluación de
la huella de carbono entre un vehículo con motor de combustión interna
(VMCI) y uno con motor eléctrico a baterías (VEB), considerando el
panorama energético de Ecuador. Para esto, se utilizó el análisis del
Pozo-a-la-Rueda, determinando primeramente la matriz de generación
de energía eléctrica en el país. Como caso de estudio se consideró un
vehículo KIA Soul y KIA Soul EV (versión eléctrica). De esta manera, se
usaron las características técnicas de ambos vehículos provistas por el
fabricante, y consideraciones sobre la distancia de conducción, ruta del
combustible, vida útil y reemplazo de baterías, así como emisiones
debidas al chasis y la carrocería de los vehículos. Los resultados
obtenidos indican que las emisiones de gases de efecto invernadero de
un VMCI en Ecuador es 236.16 gCO2/km, mientras que el VEB emite 63.14
gCO2/km, lo que significa apenas un 27% de las emisiones producidas por
el VMCI. Estos resultados representan un impacto positivo para reducir
los índices de contaminación ambiental, indicando además la necesidad
de sostener y acelerar el cambio de la matriz energética del país hacia
una generación de energía limpia y sostenible.
Palabras clave: Ciclo de vida, huella de carbono, matriz energética, pozo
a la rueda, vehículo eléctrico.
Copyright: 2022 derechos
otorgados por los autores a
Novasinergia.
Este es un artículo de acceso abierto
distribuido bajo los términos y
condiciones de una licencia de
Creative Commons Attribution
(CC BY NC).
(http://creativecommons.org/licens
es/by/4.0/).
Abstract: In this work, the results of carbon footprint evaluation of both an
internal combustion engine vehicle (ICEV) and battery electric vehicle (BEV),
considering the Ecuador energy scene, is presented. For this purpose, Well-to-
Wheel analysis was used, firstly determining the electric energy generation
matrix of the country. First, the KIA Soul vehicle and KIA Soul EV (electric
version) were considered study cases. Then, manufacturers' technical
characteristics were used to determine each vehicular technology's carbon
footprint and considerations such as util life-route driving, fuel path, util life-
time and replacement of batteries, and emissions due to chassis and body vehicle.
Obtained results allowed for determining that greenhouse gas emissions in
Ecuador due to the ICEV is 236.16 gCO2/km. On the other hand, the BEV
emitted 63.14 gCO2/km, significantly barely 27% of emissions. These results
represent a positive impact on reducing ambient contamination indices and
reinforce the necessity for accelerating the change in the country's energy matrix
toward a cleaner and more sustainable energy generation.
Keywords: Carbon footprint, electric vehicle, energy matrix, life cycle, well to
wheel.
Novasinergia 2022, 5(2), 58-75 59
Lista de símbolos/siglas, Unidad
MCI
Motor de combustión interna
-
Autonomía de conducción de un VMCI
km
Número de pasajeros
-
Autonomía de conducción de un VEB
km
n
Número de baterías durante vida útil
-
Capacidad de la batería
kWh
NEDC
New European Driving Cycle
-
Coeficiente de aporte de generación hidroeléctrica
-
Potencia de la batería
kW
Coeficiente de aporte de generación fotovoltaica
-
Poder calórico del combustible
MJ/kg
Coeficiente de aporte de generación energía eólica
-
Rendimiento de combustible
km/l
Coeficiente de aporte de generación termoeléctricas
-
Rendimiento de consumo de la batería
km/kWh
CO2
Dióxido de Carbono
-
SPE
Sistema de propulsión eléctrica
-
Emisiones de CO2 relativo a la carrocería
gCO2/km.p
Volumen total de combustible gasolina
l
ECNEDC
Emisiones de CO₂ durante un NEDC
gCO2/km
Capacidad total de energía en batería
kWh
Emisiones de CO2 por unidad poder calórico
gCO2/MJ
TTW
Tank-to-Wheel (en español, Tanque-a-la-Rueda)
-
Emisiones de CO2 por producción hidroeléctrica
gCO2/kWh
VE
Vehículo eléctrico
-
Emisiones de CO2 por producción fotovoltaica
gCO2/kWh
VEB
Vehículo eléctrico a batería
-
Emisiones de CO2 por producción energía eólica
gCO2/kWh
VMCI
Vehículo con motor de combustión interna
-
Emisiones de CO2 por producción termoeléctrica
gCO2/kWh
Volumen del tanque de combustible
l
FC
Factor de corrección de emisiones por tráfico real (0.35)
-
WTW
Well-to-Wheel (en español, Pozo-a-la-Rueda)
-
GEI
Gases de efecto invernadero
-
WTT
Well-to-Tank (en español, Pozo-al-Tanque)
-
Masa del combustible
kg
Densidad de la gasolina (750)
kg/m3
1. 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.
Novasinergia 2022, 5(2), 58-75 60
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 gCO2/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
Novasinergia 2022, 5(2), 58-75 61
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
Novasinergia 2022, 5(2), 58-75 62
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.
2. 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.
2.1. 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).
Novasinergia 2022, 5(2), 58-75 63
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
Novasinergia 2022, 5(2), 58-75 64
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
-
5
5
Sistema de propulsión
-
-
Basada en MCI
Basada en SPE
Dimensiones (L x An x Al)
-
4.14 x 1.8 x 1.62
4.14 x 1.8 x 1.6
Batalla
-
2.57
2.57
Peso
1290
1505
Coeficiente de arrastre
-
0.34
0.33
Tipo de motor
-
-
MCI
Eléctrico
Fuente de energía
-
-
Gasolina
Batería Li-ion
Cilindrada
-
1.591
-
Rendimiento de combustible*
9.8
-
Emisiones de CO₂ NEDC
ECNEDC
gCO2/km
140
-
Potencia del motor
|
121 @ 6300 rpm
108 @ 2730 rpm
Torque del motor
|
151 @ 4850 rpm
285
Potencia de batería
-
90
Capacidad de batería
-
27
Volumen de tanque
54
-
Transmisión
-
-
Mecánica/Automática x 6
Automática x 1
Aceleración de 0 a 100 km/h
11.0
11.2
Velocidad máxima
185
145
Pendiente máxima
-
33
Aire acondicionado
-
-
Si
Si
Autonomía de conducción
|
-
200
Precio en USD
-
-
$ 23000
$ 31000
* Valor referido en conducción urbana y bajo datos del fabricante.
2.2. 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%).
Novasinergia 2022, 5(2), 58-75 65
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
2.3. 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 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, = 9.8 es el rendimiento del combustible, mismo que representa la
cantidad de kilómetros que el automóvil puede recorrer con un volumen específico de
combustible, y = 54 es el volumen del tanque de combustible, resultando en 529
.
De forma análoga, se puede establecer de acuerdo a la Tabla 2 que, según el fabricante, la
autonomía del VEB es = 200 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).
Novasinergia 2022, 5(2), 58-75 66
(2)
donde, = 27 y es la capacidad de almacenamiento de energía en las baterías,
resultando en 7.4 . 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 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, 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.
2.4. 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
Novasinergia 2022, 5(2), 58-75 67
peso asociado a la cantidad de combustible necesario para su vida útil de recorrido, mismo
que fue establecido mediante la ecuación (3) en 20408 , es determinado mediante la
ecuación (6):
(6)
donde, es la densidad de la gasolina, misma que según (Martinez, n.d.) es valorada
en 750 .
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, es el poder calórico por cada kilogramo equivalente de gasolina, mientras
que 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
se promedia como 44.3 , mientras que se estima en 10.961 .
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 ( = 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, , , y 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 representan las emisiones de
Novasinergia 2022, 5(2), 58-75 68
CO2 producidas por cada fuente de generación consideradas. Por ejemplo, las
hidroeléctricas en Ecuador generan emisiones promedio equivalentes a EPHE = 24
, según lo reportado por Briones-Hidrovo, Uche, & Martínez-Gracia (2017). La
generación de energía fotovoltaica emite cerca de EPFV = 40 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 EPEE =12 según lo
reportado por Bhandari, Kumar, & Mayer (2020). La generación en centrales termoeléctricas
produce emisiones promedio equivalentes a EPTE = 490 (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 muetra 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, es la capacidad del banco de baterías establecida en 27 kWh (Tabla 2), 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 KgCO2/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 ECNEDC = 140
gCO2/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.
Novasinergia 2022, 5(2), 58-75 69
3. 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,
gCO2/kWh
Subtotal Emisiones,
kgCO2
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 kgCO2, frente a los 12627.82 kgCO2 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), kgCO2
VEB
(KIA Soul EV), kgCO2
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.
Novasinergia 2022, 5(2), 58-75 70
4. 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
gCO2/km, mientras que la del VMCI es 236.16 gCO2/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.
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Tabla 6: Comparación de resultados de huella de carbono obtenidos versus los reportados en bibliografía.
Trabajo referencial
Emisiones VMCI, gCO2/km
Emisiones VEB, gCO2/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).
5. Conclusiones
Un VEB genera emisiones por 63.14 gCO2/km, mientras que un VMCI genera
emisiones por 236.16 gCO2/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:
Novasinergia 2022, 5(2), 58-75 72
Hernández-Ambato, J.
Fernández, R.
Mora, A.
Alvarado, J.
Conceptualización
Análisis formal
Investigación
Metodología
Recursos
Validación
Redacción - revisión y edición
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.
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