Evaluación del ciclo de vida: Coches eléctricos vs ICEs

¿Es un coche eléctrico más respetuoso con el clima que un vehículo con motor de combustión o no? Y si es así, ¿en qué condiciones lo es? Un equipo del Campus de Medio Ambiente de Birkenfeld, en Tréveris, ha publicado ahora un nuevo estudio que no utiliza metadatos, sino pruebas y mediciones del mundo real. Los resultados son notables.

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Se discute mucho sobre el impacto medioambiental "real" de los coches eléctricos a lo largo de su ciclo de vida. La cifra de 17 toneladas de CO2 por una batería de VE sigue rondando por Internet, perpetuada con bastante frecuencia por las industrias relacionadas con los combustibles fósiles. Además, hay otros innumerables estudios, a veces más, a veces menos científicos, que pretenden establecer en qué momento un vehículo eléctrico supera a uno de combustión en impacto durante su vida útil. Pero todas tienen algo en común, utilizan metadatos.

"Hay muy pocos proyectos con datos originales, sobre todo de Alemania", afirma Eckard Helmers, del Campus Medioambiental de Birkenfeld de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Tréveris. Por este motivo, el profesor del Departamento de Planificación y Tecnología Medioambiental ha optado por un enfoque diferente con sus dos coautores Johannes Dietz y Martin Weiss: Una evaluación comparativa del ciclo de vida (ECV) de coches con propulsión eléctrica y motores de combustión, basada en condiciones que se aproximan lo más posible al mundo real. Para el trabajo titulado "Análisis de sensibilidad en la evaluación del ciclo de vida de coches eléctricos frente a coches con motor de combustión en condiciones aproximadas al mundo real", los investigadores recopilaron ellos mismos todos los datos posibles: desmontando un VW Caddy con motor de gasolina de 1,6 litros, analizándolo y reconstruyéndolo con un propulsor eléctrico. Lo llaman inventarios de la cuna a la tumba. Hay un enlace gratuito al estudio completo al final de este artículo.

El resultado de años de trabajo es complejo y difícilmente puede expresarse en una sola figura o declaración. Sin embargo, ésta nos ha gustado: Producir baterías con electricidad fotovoltaica en lugar de electricidad china a base de carbón disminuye el impacto climático de la producción de baterías en 69%. Sin embargo, hay ejemplos más complejos en juego, ya que el equipo tuvo en cuenta la combinación de energías y la producción de baterías. Así, el infame "kilometraje de equilibrio", en el que un coche eléctrico tiene un balance ecológico más favorable (en el sentido alemán de Ökobilanz para el ACV) que el motor de combustión interna, ha sido calculado por los investigadores, por supuesto, pero en diferentes escenarios. Si el e-caddy transformado -su batería de 25,9 kWh se produjo utilizando energía eólica- se carga únicamente con electricidad verde durante su vida útil, el coche eléctrico es más "limpio" que su homólogo propulsado por combustibles fósiles después de sólo 17.000 kilómetros. Un vehículo con una batería el doble de grande (51,8 kWh) puede alcanzar valores de entre 20.000 (batería fabricada con energía eólica) y 35.000 kilómetros (batería fabricada con energía de carbón) hasta el punto de equilibrio cuando se carga con electricidad verde. Sin embargo, si se carga con una combinación de electricidad que se corresponde aproximadamente con la media europea actual, incluso un coche con una batería pequeña alcanzará el punto de equilibrio sólo por encima o por debajo de los 50.000 kilómetros, dependiendo de si se asume un uso de segunda vida o no. Un vehículo eléctrico con una batería de 51,8 kWh, producida con electricidad de carbón y cargada con la mezcla de electricidad "sucia", sólo alcanza el punto de equilibrio tras 310.000 kilómetros.

La autonomía es enorme, por lo que no todos los coches eléctricos son iguales. En un caso, se puede alcanzar rápidamente el punto de equilibrio; en otro, el kilometraje es tan elevado que sólo unos pocos vehículos lo lograrán. ¿Cómo han llegado los investigadores de Helmers a estas cifras?

¿Datos más exactos a través de mediciones reales?

Todo empieza con la producción y, en este caso, con el análisis del montaje del Caddy por parte del investigador. Volkswagen Vehículos Comerciales, por ejemplo, ofrece un desglose porcentual de nueve grupos de materiales para el Caddy, pero no su composición detallada. Los investigadores pudieron diferenciarlo con mucha más precisión, incluyendo los kilómetros de transporte de los componentes individuales desde sus respectivos centros de producción hasta la planta de Polonia que ensambló el Caddy: el motor de gasolina, por ejemplo, procede de Salzgitter, la caja de cambios de Kassel y la batería de arranque de Hannover.

Todo ello desempeña un papel a la hora de analizar el impacto ecológico de la producción. Sin embargo, cuando se construye un coche eléctrico, se sabe que la electricidad para la producción de las células de la batería es el factor más significativo. Los investigadores de Tréveris modelizaron cuatro escenarios: La producción de células de batería en China con una elevada proporción de energía procedente del carbón, la producción en Europa con el mix energético europeo, la producción con un 100% de energía solar (como prometió Tesla para la Gigafábrica 1 en Nevada) y también con un 100% de energía eólica. Aunque esta última opción aún no existe, "podría ser una opción futura en Europa", por lo que saben los investigadores.

Los resultados muestran enormes diferencias sólo en la producción de células. Mientras que las células de batería procedentes de China suponen 1.180 gramos de CO2 equivalente por kilovatio-hora, el mix eléctrico europeo sigue teniendo 531 gramos de CO2 equivalente. Las dos producciones con energías renovables son mucho más limpias, con 92 gramos (solar) y 15,8 gramos (eólica). "En el peor de los casos, la batería puede representar el 36% de las emisiones totales de CO2 durante la vida útil de un coche eléctrico", afirma Helmers. "Creo que hay que insistir en este aspecto en vísperas de inversiones de miles de millones de euros en la producción de nuevas baterías".

¿La electricidad basada en el carbono para la producción de pilas como un paso atrás?

El profesor se refiere aquí a las fábricas de células de baterías de Polonia, por ejemplo, que fabrican la mayoría de las células para los coches eléctricos europeos. "Es muy importante dónde y con qué tipo de electricidad funcionan las fábricas de células", afirma Helmers. "En la actualidad, la legislación de la UE ignora la huella de carbono del suministro energético, ¡pero esto debe cambiar, por supuesto, si adoptamos una visión holística! ¿Se está quedando Europa atrás respecto al nivel de conocimientos de Elon Musk de hace unos diez años?".

Para electrificar el Caddy, los investigadores de Trier optaron por células de fosfato de litio e hierro (LFP) del fabricante chino CALB. Instalaron una batería con un contenido energético de 25,9 kWh. También simularon una batería del doble de tamaño con 51,8 kWh e incluyeron en el análisis los materiales originales de las celdas de la batería (según las especificaciones del fabricante CALB). A diferencia de la tecnología de níquel-cobalto-manganeso (NCM) utilizada con frecuencia en la industria automovilística, las pilas LFP no contienen cobalto con los problemas de extracción que conlleva, especialmente en el Congo. Sin embargo, según la literatura científica, la influencia de los materiales es aproximadamente la misma para los distintos tipos de química celular y, por lo tanto, es insignificante si la célula es una célula LFP, NCM o NCMA. Los requisitos energéticos para la producción son mucho más críticos.

Con todos estos datos, los investigadores calcularon el impacto medioambiental del ciclo de vida utilizando el método de caracterización ReCiPe que recoge 18 categorías de impacto. Llegaron a un total de nueve perfiles de emisiones diferentes del vehículo, desde la propulsión por gasolina, gasóleo y GNC hasta las variantes electrificadas en varios escenarios de capacidad de batería y producción. La base para ello fue, entre otras cosas, un consumo medido de gasolina de 8,89 litros cada 100 kilómetros antes de la conversión y un consumo medido de electricidad de 23,57 kWh/100 km después de la conversión. Las categorías incluyen los equivalentes totales de CO2 durante una vida útil de 150.000 kilómetros, las emisiones de PM10, pero también la liberación de ozono o el agotamiento de los recursos naturales en equivalentes de kilogramos de hierro.

Los coches eléctricos no son los mejores en algunas categorías

El Caddy electrificado sólo tiene claras ventajas sobre los modelos de combustión en cinco de las 18 categorías: cambio climático, potencial de formación de smog, agotamiento de los recursos fósiles, conversión natural del suelo y reducción de la capa de ozono. Aun así, en la evaluación global de todos los factores, los coches eléctricos salen mejor parados, en dos casos incluso significativamente mejor. Los investigadores lo atribuyen al sistema de evaluación ReCiPe, que hace hincapié en los factores relacionados con el cambio climático.

"En el caso de los coches eléctricos, hay algunas categorías en las que no tienen buena pinta", afirma Helmers. Pero también subraya que la modelización común del ciclo de vida sigue subestimando las ventajas medioambientales de los coches eléctricos. Por ejemplo, está demostrado que las emisiones acústicas del tráfico son perjudiciales para las personas, pero el ACV medioambiental no suele incluir esta ventaja de los coches eléctricos. U otro ejemplo: Según Helmers, las placas de circuitos impresos, tal y como se utilizan en electrónica, tienen un impacto significativo en la categoría de toxicología humana durante la vida útil del coche debido a los metales que contienen. En los registros de datos de los vehículos eléctricos, la proporción relativamente alta de placas de circuitos impresos en el conjunto de la electrónica se registra con precisión y se incluye en los cálculos. Este no es necesariamente el caso de los ICE. Además, el Caddy relativamente convencional tiene muchas menos de estas placas de circuitos que una berlina de lujo con motor de combustión con innumerables unidades de control y funciones de conducción semiautónoma. Así que incluso entre los ICE existen enormes diferencias.

Sin embargo, la evaluación muestra claramente una cosa: lo importante que es la fuente de energía para la producción de la batería, pero también para la carga durante el ciclo de vida. Si utiliza predominantemente electricidad de carbón, el coche eléctrico sale mal parado en categorías como el potencial de formación de smog, la formación de partículas, el consumo de suelo o la acidificación de la tierra y, por supuesto, en el agotamiento de los recursos fósiles. "El cambio de la electricidad china a la fotovoltaica de 100% reduce el impacto en 14 categorías en una media de 43% por categoría de impacto", afirma el estudio. "Por otro lado, al utilizar 100% de energía eólica en la producción de baterías, a pesar del impacto en el agotamiento de los recursos minerales, incluso este impacto es menor que al suministrar electricidad china".

Sin embargo, el consumo directo de energía durante la producción de las células sólo representa una parte de los equivalentes de CO2. E incluso esta proporción puede variar enormemente: desde el 75% en el escenario de centrales térmicas de carbón, el 57% en el mix energético europeo y el 0,4% para un 100% de energía eólica. En otras palabras, desde muy significativo hasta prácticamente insignificante. El suministro de los componentes de las pilas representa el resto, es decir, entre el 25% y el 99,6%. La huella de carbono de la producción de pilas con energía eólica está, por tanto, dominada casi en su totalidad por el suministro de los componentes de las pilas. En cambio, en el caso de la energía generada con carbón, sólo representa una cuarta parte del total de equivalentes de CO2. Todo esto demuestra lo vital que es la producción con energías renovables para la evaluación medioambiental del ciclo de vida.

Sólo un modo de transporte es más limpio que los coches eléctricos

Otro punto crítico es el tamaño de la batería. En otro análisis comparativo, los investigadores calcularon la huella total de CO2 durante una vida útil de 150.000 kilómetros o 200.000 kilómetros (kilometrajes en fase de uso), utilizando primero la combinación energética alemana de 2013 (según los investigadores, un buen valor comparativo para la combinación europea de generación de electricidad) y después una combinación energética simulada a partir de 2050, si Alemania sigue ampliando las energías renovables.

Con la combinación ficticia de generación de energía de 2050, el coche eléctrico siempre queda por debajo del valor de combustión calculado aquí en 263 gramos por kilómetro, independientemente de si la base era una batería de 25,9 o 51,8 kWh. Incluso en el "peor" caso de aplicación del VE con 51,8 kWh sin uso de segunda vida (que ahorra un 15% de media), los coches eléctricos simulados con un máximo de 166 gramos de CO2 equivalente se mantienen significativamente por debajo del valor de combustión. Sin embargo, Helmers no considera admisible una nueva duplicación matemática del tamaño de la batería basada en los datos del Caddy para comparar un coche eléctrico de clase superior. Debido a los efectos descritos de otros componentes como la electrónica, el ACV de un e-car tendría que compararse con el de un coche de lujo para ser válido.

La situación es diferente cuando se carga con la combinación energética de 2013, piensa Europa: Aquí - dependiendo de la fuente de energía para la producción de baterías - los coches eléctricos con un contenido energético de unos 50 kWh ya están al nivel del motor de combustión o por encima de él. Sólo los vehículos con baterías pequeñas (25,9 kWh en la simulación) superan sistemáticamente al motor de combustión. Es fácil ver qué posibilidades tendría actualmente en ventas un coche eléctrico de este tipo (de menor autonomía). Digámoslo así: No serían grandes.

Al final del estudio, los investigadores realizaron una interesante comparación y determinaron los efectos de los kilómetros recorridos por los pasajeros y los compararon con otros medios de transporte. También en este caso se calcularon varios escenarios para la producción de baterías, la energía de carga y la ocupación de los vehículos. "En condiciones óptimas", escriben los investigadores, los efectos respetuosos con el clima de los coches eléctricos a lo largo de su ciclo de vida son "incluso competitivos con el transporte público, como los autobuses diesel, los autocares y los trenes". Sólo un medio de transporte motorizado podría superar a los coches eléctricos: el autobús eléctrico.

mdpi.com (estudio completo, acceso abierto)

Reportaje de Sebastian Schaal, Alemania.