El ERS ‘para dummies’ y la importancia de la recuperación de la energía, parte 1

El ERS ‘para dummies’ y la importancia de la recuperación de la energía, parte 1.

Por Samuel Bustamante, @SamuBustamante3

 La Fórmula 1 es el escenario de vanguardia tecnológica en el mundo automotor. Los desarrollos técnicos de gran calidad inspirados en las carreras han sido heredados por los autos de calle a través de los tiempos, desde las mejoras en nuevos materiales hasta los diseños aerodinámicos. Hoy en día, las regulaciones de la FIA están encaminadas a soluciones que gracias a su eficiencia sean un poco más amigables con el medio ambiente, como lo son (relativamente, claro está) los motores V6 turbocargados de 1.6 litros que verán la luz a partir de la próxima temporada. Estos motores contarán con un reinventado sistema de recuperación de energía: el ERS. Pero… ¿Qué es el ERS? En esta primera parte expondremos el para qué del sistema y  el KERS, que fue la solución de los años anteriores, mientras que en la segunda analizaremos realmente cómo funciona el ERS y cuál es su evolución respecto al KERS.

Demostración en Las Vegas de la Fórmula E, la nueva apuesta de la FIA para una categoría de autos eléctricos. Foto: elmundo.es


Sobre energía y eficiencia

Antes de ponernos con el ERS — sistema de recuperación de energía por sus siglas en inglés —, vale la pena analizar un poco el concepto de eficiencia en una máquina, al menos en el sentido termodinámico. Imagina, para empezar, una taza de chocolate caliente de esas que caen bien en las mañanas. Si se deja sobre la mesa por un rato, el líquido comenzará a enfriarse progresivamente hasta que termina en la temperatura del medio ambiente; sencillamente, el calor se esparció en el medio circundante.  Esto quiere decir que aquello que el chocolate adquirió probablemente de un electrodoméstico — es decir, pagamos por él en la factura de la electricidad — se perdió como si nada en el aire libre. Es energía perdida.  Claro está, como nos lo han repetido muchas veces, la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. En este caso lo hizo desde la forma de energía eléctrica hasta la forma de calor esparcido en el ambiente.

Flujo de energía en el ejemplo del chocolate

Este concepto de “energía perdida” se puede encontrar en general en cualquier máquina, como lo es un monoplaza de Fórmula 1. La palabra eficiencia hace referencia entonces a qué tanto de la energía que entra a un sistema, por decir la energía “pagada”, llega realmente a gastarse en la función que necesitamos y no en pérdidas. Una eficiencia del 80% indica que un 20% de la energía inicial se perdió durante el proceso.  Si calentamos el chocolate y lo dejamos enfriar a temperatura ambiente, el proceso tiene una eficiencia del 0%.

La eficiencia en los automóviles es muy importante, puesto que mientras menos combustible se utilice más dinero se puede ahorrar y, lo que es muy importante, serán menores las emisiones de gases al medio ambiente. Aunque existen muchos tipos de pérdidas en un auto, justo como en la taza de chocolate, hay dos momentos específicos que han llamado la atención de los ingenieros:

  1. La expulsión de los gases de escape. La expansión de los gases de combustión en el motor son los que causan el movimiento que el auto requiere para desplazarse, pero al terminar su ciclo salen calientes y en ciertas condiciones de presión. En  los últimos años esta energía se aprovechó con fines aerodinámicos, apuntando los gases al difusor para generar carga aerodinámica. Sin embargo, las estrictas regulaciones de la FIA han terminado por  descartar completamente esta aplicación, por lo que la energía que estos pudieran llevar terminaría perdiéndose.
  2. Las frenadas. Piensa en la larga recta entre las curvas 13 y 14 del circuito de Shanghái, la más larga de todo el calendario de Fórmula 1. En clasificación, las velocidades punta de los autos de 2013 llegaron a 320 km/h y descendieron hasta 60km/h en la frenada. La energía en forma de velocidad que llevaba el carro — denominada energía cinética — se convierte rápidamente en energía calórica en los frenos, esparciéndose y perdiéndose en el medio.

¿Cómo aprovechar la energía perdida en estos dos momentos? Con el cambio en las regulaciones de 2009 y con miras en la eficiencia (recordar, menor energía perdida), surgió en los equipos la pregunta de si era posible aprovechar con la tecnología moderna la energía de las frenadas. El resultado después de mucho tiempo de desarrollo fue el sistema KERS, cuyas siglas significan sistema de recuperación de energía cinética. La energía de los gases de escape tiene un uso adicional, que son los turbocompresores. Pero de eso hablaremos más adelante.

El KERS

Aunque los frenos regenerativos no son conceptos nuevos para máquinas de motores eléctricos, implementarlos en un carro de combustión interna supuso una evolución tecnológica muy grande para la F1.  La idea era recuperar la energía del frenado de los autos y reutilizarla para potenciar el motor, pero a la postre configurándolo — por disposición de la FIA — como una especie de boost  que favoreciera los adelantamientos, al mejor estilo de los videojuegos.

El KERS, que se usó en todo 2009 y luego entre 2011 y 2013, tenía tres unidades centrales de funcionamiento: el MGU, las baterías y la unidad de control.

El MGU (Unidad motor-generador) es el corazón del KERS. Es un motor eléctrico que, como su nombre lo indica, puede aprovechar el torque de la frenada mediante un sistema de embragues para generar electricidad, de manera que la energía no se pierde al ambiente. Esta electricidad se reparte a las baterías, donde se almacena hasta que el piloto aprieta el botón en el volante, momento en el que devuelve la corriente eléctrica al MGU y le proporciona una potencia adicional al motor de un máximo por vuelta de 80 caballos de fuerza durante unos 6.6 segundos. Todo el procedimiento es controlado por la unidad de control, PCU por sus siglas en inglés.

Ubicación de los elementos del KERS en el coche, aunque puede variar dependiendo del equipo, el año y la configuración. Imagen: ScarbsF1 – http://scarbsf1.com/

Por su alta tasa de carga y descarga, las baterías suponen un reto para los ingenieros. Las soluciones van desde volantes de inercia hasta supercapacitores. Los volantes de inercia son, básicamente, baterías mecánicas, que giran a revoluciones altísimas (del orden de 80000RPM) con muy baja fricción para minimizar la pérdida de potencia. Los supercapacitores o supercondensadores son algo más complejos, pero pueden funcionar como baterías eléctricas y superan a las tradicionales baterías de litio en factores clave como eficiencia y agilidad de carga/descarga. Las baterías y el MGU tienden a recalentarse mucho, por lo que los equipos se ven en la necesidad de refrigerarlos con bombas especiales o con el flujo de aire.

Volante de inercia de Williams y supercapacitores

Y bien, ¿qué tiene de nuevo el ERS respecto al KERS? Podrás leerlo en la segunda parte el próximo domingo 16 de febrero previo a los entrenamientos de Baréin.

 

Enlaces de interés:

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