La categoría
“vehículos eléctricos” incluye los vehículos accionados por un motor eléctrico,
alimentados por baterías y los alimentados desde líneas eléctricas. En el
primer grupo se destacan los automóviles, camiones, bicicletas, motocicletas,
ómnibus, las lanchas y los barcos. También ha habido importantes avances en
vehículos eléctricos aéreos. El segundo grupo consiste en los trenes, tranvías
y trolebuses. Y aunque no sea muy conocido, hubo algunos tranvías que pertenecieron
al primer grupo.
Introducción
Es evidente que el desarrollo de los vehículos eléctricos en todos sus
tipos ha sido una consecuencia de la invención y desarrollo de los motores
eléctricos. Adicionalmente, los vehículos eléctricos accionados por baterías
han tenido (y la siguen teniendo hoy en día) una dependencia directa de los
avances en la tecnología de las baterías.
Primero la humanidad tuvo que descubrir los principios que rigen los
fenómenos eléctricos y químicos de los motores eléctricos y de las baterías y
después inventar dispositivos que apliquen y aprovechen eficientemente esos
principios. Por último, tuvo que encontrar la forma de fabricarlos a escala
industrial, para que resulten prácticos y baratos. Recién en la última década
del siglo XIX y en las dos primeras
del siglo XX, logró este objetivo y
obtuvo la aceptación de los usuarios, compitiendo con los vehículos a vapor de
pequeño porte como los automóviles. No obstante, las locomotoras a vapor se
mantuvieron en uso hasta mediados del siglo XX. *
Cuando se pensó que ya se habían dado muchos de esos pasos, apareció la
competencia de la gasolina y los vehículos con motores de combustión interna y
al final de la segunda década del siglo XX,
dejaron a los vehículos eléctricos a batería fuera de combate. Desde entonces y
hasta comienzos del siglo XXI, los
vehículos eléctricos a batería solo fueron utilizados en tareas menores, como
pequeños montacargas, o para movilizar a inspectores municipales para control
del tránsito urbano, en ciudades como Córdoba, Argentina, en la década del 80
del siglo XX. Esto a pesar de
algunos intentos en sentido contrario con poco éxito, llevados a cabo en las
décadas del 70/90 del siglo XX.* *
Los tranvías y trolebuses duraron más que los vehículos a batería y su
eliminación se produjo simultaneamente en muchas ciudades de países de América
y Europa, a principios de la década del 60 del siglo XX, existiendo numerosas teorías conspirativas respecto de estas
decisiones. En algunos países de Europa como España, Francia y Gran Bretaña,
también fueron eliminados. En otros países de Europa, se mantuvieron vigentes
hasta nuestros días y se fueron modernizando y actualizando permanentemente, como
ocurrió en Alemania, Austria, Bélgica, Escandinavia, Italia, Países Bajos, Portugal,
Suiza, Japón y en toda Europa del Este.
Hasta fines del siglo XIX, los
ascensores de los edificios eran
principalmente accionados por motores a vapor y también contra esos vehículos
de” transporte vertical” tuvo que competir el vehículo eléctrico, venciendo
finalmente.
* El motor de vapor (Por Dariusz
Stusowski) - http://historycollection.co/five-advancements-nineteenth-century-transformed-world/?utm_source=historycollection&utm_medium=Next_Post_Bottom
“Con
tantas maneras de impulsar la industria y el transporte en la actualidad, las
máquinas de vapor parecen una tecnología antigua. Pero en el siglo XIX, la máquina de vapor revolucionó la
velocidad a la que viajaban las personas, y cambió fundamentalmente la forma en
que se hacía el trabajo e incluso condujo al crecimiento de la vida
urbana. En muchos sentidos, la era moderna de la máquina nació una vez que
se utilizó el poder del vapor.
Mientras
que la máquina de vapor práctica fue inventada por Thomas Newcomen a principios del siglo XVIII y mejorada a fines del siglo XVIII por el escocés James Watt y otros, sus usos eran
relativamente limitados. Estos motores se usaron principalmente para
facilitar las operaciones mineras. A medida que el siglo XVIII llegaba a su fin, se emplearon
pequeñas máquinas de vapor para bombear agua sobre las ruedas de los molinos,
lo que permitió que algunas fábricas utilizaran la energía resultante para
automatizar los procesos. Sin embargo, a comienzos del siglo XIX, la tecnología del vapor estaba
lista para cambiar el mundo.
Los
experimentos con locomotoras a vapor a principios de siglo XIX condujeron al primer uso comercial de ferrocarriles impulsados por motores a vapor en Inglaterra en 1825. La tecnología se extendió
rápidamente y cambió el transporte para siempre. En los Estados Unidos, existían
menos de 40 millas
(64 Km )
de caminos en 1830. Sólo 30 años más
tarde 29.000 millas
(46.671Km) de camino cruzaron el país. Los efectos en los viajes son
difíciles de imaginar para una persona moderna. Antes del transporte
ferroviario, cruzar los Estados Unidos podría tomar seis meses. Después de
la finalización de un ferrocarril transcontinental estadounidense en 1869, una
persona podía hacer el viaje en menos de una semana. Del mismo modo, el
siglo XIX vio la maduración de los
buques de vapor, que proporcionaban el poder suficiente para transportar
personas y carga contra las corrientes y los vientos predominantes.
El
uso de motores de vapor también afectó a las fábricas. Las fábricas ya no
tenían que estar cerca de una fuente de agua corriente. Esto significaba
que las fábricas podrían construirse al lado de las líneas ferroviarias o
incluso dentro de las mismas ciudades, lo que llevaría a grandes avances en la
productividad y tasas cada vez más altas de crecimiento urbano. En
resumen, el poder del vapor redujo el mundo, proporcionó un poder
exponencialmente mayor para los esfuerzos humanos y facilitó el nacimiento de
la ciudad moderna.”
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Fig.
1 – Locomotora a vapor gigante en Londres – mediados de 1800.
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Fig.2
– “
http://arnoldogualino.blogspot.com.ar/2014/04/locomotora-la-emperatriz-historica-del_2.html
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Los automóviles a vapor
Un automóvil
a vapor funciona mediante una máquina a vapor. Una máquina
a vapor es un motor de combustión externa, donde el combustible se
quema fuera del motor, a diferencia de un motor de combustión interna,
donde el combustible se quema dentro del motor. Los autos a vapor
tienen menor eficiencia térmica, pero es
más fácil regular la producción de los gases contaminantes.
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Fig.3
– Caricatura de un auto a vapor. Tesis de William B. Fleistcher &
Sidney Zafran, 1957, MIT.
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Los
primeros vehículos experimentales a vapor se construyeron a finales del siglo XVIII y principios de siglo XIX, pero no fue hasta después de
que Richard Trevithick desarrolló
el uso de vapor a alta presión, alrededor de 1800, que las máquinas a vapor móviles se convirtieron en una
propuesta práctica. En la década de
1850 era viable producirlos comercialmente: se utilizaron vehículos de
carretera a vapor para muchas aplicaciones.
Los autos a vapor coincidieron con los desarrollos de los motores
de combustión interna y motores eléctricos, durante algunas décadas, pero de
repente desaparecieron de la escena. En 1930,
el mercado de automóviles a vapor había desaparecido.
El
desarrollo se vio obstaculizado por la competencia de los autos eléctricos y
por el rápido desarrollo de la tecnología de los motores de
combustión interna en la década de
1900, lo que llevó a su desaparición comercial.
A principios del siglo XX el 40% de los automóviles estadounidenses funcionaban con vapor, (principalmente
producidos por las compañías estadounidenses Stanley y White) el 38%
con electricidad y el 22% restante con primitivos motores a gasolina.
En
la década de 1830, Oliver Evans diseñó un vehliculo sin
caballos, impulsado por vapor, el anfibio Oruktor Amphibolos (Fig.5), el primer intento estadounidense de un
"automóvil" y el segundo a nivel mundial, detrás del francés Nicolas Joseph Cugnot (1769). (Fig.4)
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Fig.4
– El vehículo a vapor de Nicolas Joseph Cugnot (1769).
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Fig.5
- El anfibio “Oruktor Amphibolos” de Oliver Evans impulsado
por vapor, década de 1830.
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Fig.6 –Pequeño automóvil a vapor de mediados dei siglo XIX
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Fig.7 – Ómnibus a vapor de 1873
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Fig.8 - El
presidente estadounidense Theodore Roosevelt (1858 – 1919)
utilizaba
un coche oficial a vapor, de la marca White de 30 caballos de fuerza
Fuente:
BBC [6]
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Los vehículos a vapor, necesitan tener incorporada una caldera para
transformar el agua en estado líquido en vapor, para mover el pistón que acciona
un movimiento alternativo, que luego es transformado en rotativo para hacer girar
las ruedas. Pero si se desea recuperar el vapor usado, transformándolo otra vez
en agua líquida, para alimentar la caldera y volver a obtener vapor, hace falta
un condensador instalado en el vehículo. Incorporar el condensador dentro del
vehículo implicaba aumentar el tamaño de este y también el peso y el costo, por
lo que durante mucho tiempo se optó por no incorporar el condensador y desechar
el líquido. Esto trajo como consecuencia que había que detener la marcha de los
autos a vapor a cada rato, para recargar agua. En los modelos más
evolucionados, como el vehículo oficial que usaba Theodore Roosvelt, este
problema había sido resuelto con la incorporación del condensador en el
vehículo.
Otra desventaja, de los vehículos a vapor de la época, era el largo tiempo
de espera necesario al querer iniciar la marcha en frío, ya que había que
esperar unos 20 minutos para calentar la caldera y comenzar a producir vapor.
En los países con clima invernal muy frío, este tiempo aumentaba de una manera
insoportable.
Tractores
también a vapor
Los tractores a vapor fueron muy usados en distintos países, antes de que
se impusieran los tractores con motor diesel. En la Fig.9 , se ve a un grupo de
aficionados al vapor, arando un campo actualmente, mediante un tractor marca Case
de 65 HP a vapor, que tira un arado de discos. Las 4 personas que están de pié
sobre la plataforma de madera, que es arrastrada por el tractor, mediante
palancas clavan los discos en la tierra, permitiendo que estos vayan cortando
el terreno a medida que el tractor ejerce tracción sobre ellos. El tractor de la Fig.9 , modelo 1915, estuvo
siempre en Canadá y fue usado para arar campos durante muchos años en el oeste
de ese país.
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Fig.9 – Tractor de 1915, restaurado en el Museo de Alberta, Canadá, arando
un campo actualmente por un
grupo de aficionados.
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Y también Tranvías a
vapor
Los tranvías a vapor estaban constituídos por dos cuerpos: el de
adelante era la locomotora, donde iban los maquinistas operando la máquina a vapor
y el de atrás era el vagón traccionado por la locomotora, donde viajaban los
pasajeros.
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Fig.10 – Tranvía a vapor en
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* * Los experimentos de los años 70 (Diario El País de España) https://elpais.com/elpais/2016/03/30/motor/1459353820_709015.html
“La
primera gran crisis energética mundial (1973) impulsó a algunos fabricantes a
recuperar los modelos eléctricos y proponer pequeños vehículos pensados para los
desplazamientos urbanos diarios, como el Enfield
8000 o el más popular Citicar de
Sebring-Vanguard. Ambos podían recorrer unos 65 kilómetros por
carga.
Pero
fue solo un resurgir fugaz, porque del Enfield, de producción británica, apenas
se ensamblaron 120 unidades, mientras que del Citicar, estadounidense, se
llegaron a fabricar unos 4.400 entre 1974 y 1977.
El resurgir de los 90
El
coche eléctrico moderno, el que se comercializa hoy, le debe mucho al EV-1 que General Motors (GM) presentó
en 1996. Se trataba de un modelo a
pilas visionario, tanto por su diseño y tecnología como por su rendimiento:
inicialmente, con pilas de plomo-ácido, ofrecía una autonomía de hasta 160 kilómetros ;
después, con la inclusión de nuevas baterías de níquel metal hidruro, llegó
hasta 225 kilómetros .
Pero
murió pronto, en 1999, cuando GM
cesó su producción e inició uno de los mayores culebrones de la historia del
automóvil. El fabricante instó a los conductores, que disfrutaban los EV-1 en
régimen de alquiler, a devolver los vehículos para retirarlos de la
circulación. Y la mayoría acabaron desguazados, a pesar de que muchos de los
usuarios estaban dispuestos a comprar el coche.
La
marca esgrime que el modelo era demasiado costoso y poco rentable, y que nació
como respuesta a la exigencia de una normativa medioambiental que obligaba a
los fabricantes a contar con modelos sin emisiones en su gama. Pero la norma
cambió al poco tiempo, haciéndose más permisiva, y GM decidió cancelar el
proyecto. Al final, se fabricaron poco más de 1.100 unidades.
El
documental ¿Quién mató al auto eléctrico?,
de 2006, ofrece otra visión diferente de la desaparición del EV-1, basándola en
las presiones del lobby del petróleo.
Nuevo Siglo
Tesla
recogió el testigo del EV-1 y en 2008 lanzó su modelo Roadster, que introdujo
al vehículo eléctrico en el Siglo XXI. El coche no era otra cosa que un Lotus
Elise modificado, pero contaba con unas nuevas baterías de ion litio que
llevaron la autonomía a una dimensión desconocida hasta entonces: más de 300 kilómetros .
Todos
los coches eléctricos de ahora beben de la fuente técnica de Tesla, que fue la
primera en aplicar las baterías de litio que hoy están tan extendidas. Y es que
el mayor rendimiento de estas pilas animó a varias marcas a lanzar nuevos
modelos a partir de 2010.
De
la hornada moderna de eléctricos, sobresale el Nissan Leaf, que ha conseguido
ser la propuesta con mayor expansión global y ventas: está presente en América,
Europa y Asia, y supera ya las 200.000 unidades comercializadas, lo que lo
convierte en el coche a pilas más popular de la historia del automóvil.
La mejora
de las baterías, que seguirán ampliando su autonomía, la caída de precios y
las próximas normas de emisiones, cada vez más restrictivas, garantizan el
futuro al coche eléctrico, que, además, será la base del próximo desafío, el
coche sin conductor, autopilotado.”
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Fig.11
– El Citicar, el auto eléctrico de EEUU de
la
década de 1970.
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El motor eléctrico [13]
La
primera patente de una máquina eléctrica fue emitida al estadounidense Thomas Davenport por su motor eléctrico,
el 25 de febrero de 1837. El
prototipo que presentó ante la
Oficina de Patentes de EEUU fue un pequeño” tren” eléctrico a
escala, que giraba sobre una pequeña pista circular con vías, de 4 pies (1,20 metros ) de
diámetro y lo alimentaba desde una batería de Volta separada y quieta, a través de las vías.
Los
autos eléctricos rudimentarios de tamaño real, finalmente se construyeron 30
años después de la muerte de Davenport en la década de 1850. [2]
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Fig.12
– Thomas Davenport
(1802 – 1851)
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| Fig.13 – Frank Sprague (1857 –
1934)
1851) |
En
1886, Frank Sprague inventa un motor de tracción de CC de alto par. Funciona
a velocidad constante bajo cargas variables y no crea chispas. En 1887 Sprague utiliza su motor de
corriente continua en los primeros sistemas comerciales de tranvías eléctricos
en América del Norte, comenzando con Richmond Virginia.
La eficiencia de los motores a
vapor, de combustión interna y eléctricos [12]
Motor
a vapor a pistón: 15%
Turbina
a vapor: 35% - 40%
Motor
de combustión interna (ciclo Otto): 30%*
(ej: motores a gasolina)
Motores Diesel: 35% - 50%*
Turbina alimentada a fuel – oil: 15
- 30%
Motor eléctrico con escobillas: 40%
- 80%
Motor eléctrico sin escobillas: 85%
- 90%
* Cuando se usan biocombustibles la eficiencia baja más todavía
Los
motores eléctricos utilizados por los antiguos vehículos eléctricos eran todos
motores de contínua (dc) y seguramente con escobillas.
La eficiencia de los motores nos indica la habilidad de ellos para
transformar la energía que se les entrega de una determinada forma
(química, eléctrica, calórica, hidráulica, etc), en energía mecánica, pero no
se tiene en cuenta la eficiencia del proceso completo desde la obtención de la
energía que se les entrega, el transporte de la misma y la eficiencia con que
es aprovechada la energía mecánica entregada por el motor a la carga. Analizar
todo el proceso nos permitiría conocer la eficiencia
para la sociedad, a lo que tiende el concepto de Tasa de Retorno Energético.
El motor lleva al
generador
En
1869 el belga ZenobeTheophile Gramme patenta la
primera dínamo práctica en París.
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Fig.14 – Zenobe Theofile Gamme
(1826 – 1901)
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Las baterías
Alessandro Volta demostró en 1794 que cuando dos metales y tela
o cartón empapados en salmuera, se instalan en un circuito, producen
una corriente eléctrica.
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Fig.
15 - Alessandro Volta
(1745-1827)
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Fig.
16 – La pila de Volta
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En
1800, Volta apiló varios pares
de discos de cobre (o plata), alternadamente con
discos de zinc separados por una tela o cartón empapado en salmuera
(electrolito) para aumentar la conductividad del electrolito. Cuando los
contactos superior e inferior estaban conectados por un cable,
una corriente eléctrica fluía a través de la pila voltaica y el
cable de conexión.
Las
baterías recargables, que proporcionaran un medio viable para el almacenamiento
de la electricidad a bordo de un vehículo, no llegaron hasta 1859, con la invención de la batería de plomo–ácido por el
físico francés Gaston Planté.
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Fig.17
– Raymond Gastón Planté
(1834
– 1889)
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Fig.18
– El 1º modelo de la batería que presentó
Planté
en 1859 consistía en dos rollos de plomo puro,
separados
por un paño de lino, sumergidas en un
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Camille Alphonse Faure, otro científico
francés, mejoró significativamente el diseño de la batería en 1881; estas mejoras aumentaron
considerablemente la capacidad de las baterías y permitieron su fabricación a
escala industrial.
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Fig.19
– En 1860 Planté presentó a
una
nueva batería de plomo – ácido con 9
celdas.
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La
batería original de Planté era enorme y dificil de mover. Lo bueno es que esta
pesada batería podía generar una gran corriente y mantenerla circulando durante
largos períodos de tiempo.
En
1881, Camille Alphonse Faure patentó
un método de recubrimiento de placas de plomo con una pasta de óxidos de plomo,
ácido sulfúrico y agua, que luego se curó calentando suavemente en una
atmósfera húmeda. El proceso de curado hizo que la pasta cambiara a una
mezcla de sulfatos de plomo que se adherían a la placa de plomo. Durante
la carga, la pasta curada se convirtió en material electroquímicamente activo
(la "masa activa") y dio un aumento sustancial en la capacidad en
comparación con la batería de Planté. Este fue un gran avance que condujo
a la fabricación industrial debaterías de plomo-ácido y un
modelo más eficiente y confiable que tuvo gran éxito en los primeros
automóviles eléctricos. [9]
El contexto de los hechos
Las
frases con que hemos resumido aquí los temas del motor eléctrico y de las
baterías, no permiten percibir el ambiente de la época, si no se conocen los
descubrimientos e invenciones previas de
todos los investigadores que antecedieron a Davenport y a Planté, cuyos
resultados obtenidos no habrían sido posibles, sin los descubrimientos e
invenciones de aquellos. Para conocer el contexto de la época y formarse una
idea ordenada de cómo fueron ocurriendo los hechos, recomendamos leer la Nota del DR. FRANK WICKS,
con acceso en la referencia [2] y también la referencia [13].
La primera
locomotora eléctrica del mundo [5]
En
la Feria de
Comercio de Berlín de 1879, Werner von Siemens presentó el primer
ferrocarril eléctrico del mundo con una fuente de energía eléctrica externa.
(Fig.20)
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Fig.20
- Ferrocarril de exhibición con la primera locomotora eléctrica, 1879
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En la segunda mitad del siglo XIX, el transporte público en las
ciudades dependía principalmente de los caballos: los carros y tranvías tirados
por caballos eran los principales vehículos en las calles, junto con algunos
autobuses a vapor. En vista de la explosión demográfica, particularmente
en las ciudades con sus innumerables viajeros, el transporte a caballos pronto
alcanzó los límites de su capacidad. Y la locomotora a vapor, que se había
establecido para viajes de larga distancia, también demostró ser demasiado
inflexible para su uso en las ciudades, y la contaminación causada por el
hollín y el ruido terminarían siendo insoportables. Entonces, se
necesitaba un nuevo medio de transporte.
En 1879 l a firma Siemens & Halske presentó, en la Feria de Comercio de Berlín, el primer tren
eléctrico del mundo, en el que se suministraban 150 Voltios al motor de la
locomotora a través de los rieles. El modelo usado para la demostración (Fig.
20), era dirigido por el maquinista montado sobre una pequeña locomotora, que
remolcaba 3 pequeños vagones, con 6 pasajeros a bordo de cada uno de ellos, alrededor
de una pista circular de 300
metros de largo a través del recinto ferial. Fue un gran
éxito.
REFERENCIAS
Notas relacionadas
Para acceder a la 2da Parte
de esta nota haga click aquí
Para acceder a la 3ra Parte
de esta nota haga click aquí
Para acceder a la 4ta Parte de esta nota haga click aquí
[19] http://egresadoselectronicaunc.blogspot.com.ar/2013/08/que-es-la-tasa-de-retorno-energeticotre.html
Sumamente interesante
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