¿Son los vehículos eléctricos a batería más ecológicos que los vehículos a gasolina?

por Pablo Eichenberg
Vicepresidente Global de Desarrollo Corporativo y Estrategia
En Magna Powertrain & Magna Electronics

Nº3 | Julio 2023

Durante la última década, los gobiernos y las principales empresas fabricantes de automóviles se han movido hacia los vehículos eléctricos como una tecnología verde clave para reducir el uso de petróleo y combatir el cambio climático. En 2021, las principales empresas fabricantes de automóviles, incluidos Ford, Mercedes-Benz, General Motors y Volvo, se comprometieron a trabajar para eliminar gradualmente las ventas de vehículos nuevos de gasolina y diésel para 2040 en todo el mundo.

La ausencia de emisiones del tubo de escape puede parecer una obviedad al considerar la energía que cuesta cargar y producir las baterías. Pero a medida que los vehículos eléctricos de batería (BEV) se vuelven populares, se han enfrentado a una pregunta pertinente: ¿Son más limpios que los motores de combustión interna (ICE) tradicionales?

En este artículo, profundizaremos en las diferencias entre el ICE y el BEV para resolver el debate entre el tanque y la batería.

Comprender las diferencias entre los BEV y el ICE
A medida que el mercado global cambia para cumplir con los nuevos estándares de eficiencia de combustible, las principales empresas fabricantes de automóviles se han centrado en los BEV como una alternativa más ecológica a los ICE. Los vehículos eléctricos generalmente son mucho más eficientes en combustible que sus contrapartes, principalmente porque los motores eléctricos son más eficientes que los ICE.

Dicho esto, el respeto al medio ambiente de los BEV depende de varios factores, desde la electricidad utilizada para cargar las baterías hasta el proceso de fabricación de las propias baterías. Para medir la nueva tecnología de baterías en comparación con los ICE, profundicemos en cada etapa del proceso.

El proceso de producción
La mayoría de los escépticos que cuestionan la limpieza de los BEV tienden a señalar primero el proceso de producción de la batería. Este es un espacio lógico para comenzar ya que la producción de baterías es fácilmente la parte más sucia del proceso. Aunque las emisiones de vida útil de los vehículos eléctricos son más bajas que las de los vehículos impulsados por ICE, la fabricación de vehículos eléctricos tiene un lado oscuro.

Con el cambio dramático hacia los BEV, la necesidad de acelerar la producción de celdas de batería y la tecnología avanzada de baterías está aumentando a nivel mundial. Las empresas fabricantes de vehículos eléctricos están buscando más fuentes de minerales y materiales para las baterías de iones de litio, con una competencia entre los diferentes controladores de la cadena de suministro en su punto más alto.

La producción de baterías de iones de litio para automóviles de alta calidad todavía emite cantidades significativas de carbono y requiere la extracción de recursos naturales. En un escenario esbozado por la Agencia Internacional de Energía que cumple con los objetivos del Acuerdo de París, la participación de las tecnologías de energía limpia en la demanda total aumentará significativamente durante las próximas dos décadas a más del 40% para cobre y elementos de tierras raras, 60-70% para níquel y cobalto y casi un 90% de litio.

Las investigaciones muestran que un EV necesita aproximadamente 485 lbs. de minerales como cobre, níquel, cobalto y litio, que es 6 veces más que un vehículo tradicional impulsado por ICE. Dicho esto, una gran parte de la contaminación creada por el proceso de fabricación de baterías es creada explícitamente por China, que tiene oportunidades para mejorar significativamente su huella de carbono.

Creación de procesos de producción de baterías más ecológicos
Las empresas fabricantes chinas de baterías EV emiten un 60% más de dióxido de carbono para producir una batería BEV que una ICE. Sin embargo, si China adoptara técnicas de fabricación estadounidenses o europeas, podría reducir sus emisiones de carbono hasta en un 66%, haciendo que el proceso de producción de baterías sea más limpio que el de ICE. En última instancia, las mejoras en la infraestructura, el abastecimiento de energía más ecológico y las técnicas de fabricación más eficientes pueden reducir drásticamente los gases de efecto invernadero, lo que hace que BEV sea una opción cada vez más ecológica.

Además de las técnicas de fabricación más ecológicas, el reciclaje de baterías de vehículos eléctricos se considera a menudo un medio para reducir las emisiones asociadas con la fabricación de vehículos eléctricos al reducir los requisitos de suministro primario. El reciclaje considera tanto las fuentes convencionales como los flujos de desechos emergentes, como las baterías gastadas de los vehículos eléctricos. Sin embargo, con la transición del mercado global a los vehículos eléctricos y la creciente necesidad de baterías, el reciclaje de baterías es solo una caída proverbial en el cubo de la fabricación.

Bomba contra enchufe
Ya sea que posea un vehículo ICE tradicional o un vehículo eléctrico a batería, deberá reabastecerlo con gasolina o electricidad y ninguno está libre de emisiones de carbono. Durante la última década, los vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV) y BEV se han vuelto populares por su conveniencia y perfiles más ecológicos. Pero entre repostar y cargar, ¿cuál es la opción más limpia?

Para comenzar, examinemos la eficiencia de cada tipo de vehículo: ¿Cuánto tiempo puede funcionar el vehículo con una sola carga o llenado del tanque? Según la Agencia de Protección Ambiental, un galón de gasolina equivale a 33,705 kWh de energía, lo que nos permite comparar la eficiencia de ICE y BEV usando un equivalente de millas por galón (MPGe).

Cuando se usa MPGe, los vehículos eléctricos son de tres a cinco veces más eficientes que sus contrapartes ICE. Por ejemplo, el Chevy Bolt puede recorrer 3.4 veces más millas con una sola carga que el Honda Civic con un solo tanque de gasolina. Además, esta diferencia se agudiza aún más en los vehículos más grandes. El Tesla Model X, un SUV mediano, logra 4,4 veces la eficiencia del BMW X5. Al mismo tiempo, el sedán mediano Tesla Model 3 alcanza 5.2 MPGe más que el Ford Fusion comparable.

Las diferencias de energía entre los BEV y los vehículos tradicionales no terminan ahí. El BEV también gana el debate ecológico con más millas para cargar. Y cuando observamos de dónde proviene esa energía y el carbono producido para generarla, los BEV siguen emergiendo como la opción más limpia. Incluso si la red eléctrica que carga los BEV fuera 100% basada en carbono, aún tendría una huella de carbono significativamente menor que la de un sedán mediano con ICE. Sin embargo, sería difícil encontrar una red local que aún dependa únicamente del carbón.

Entonces, ¿cómo funciona exactamente el bombeo versus el taponamiento de los vehículos de combustible? En los vehículos ICE, el combustible se enciende y el gas empuja los pistones para generar movimiento. Sin embargo, solo entre el 12 y el 30 por ciento de la energía de la gasolina se utiliza para mover un vehículo, mientras que la mayor parte de la energía se pierde en forma de calor.

Por su parte, los BEV cuentan con motores eléctricos, que consumen casi toda la energía en electricidad para generar movimiento. A diferencia de los vehículos impulsados por ICE, los BEV también tienen “frenado regenerativo”, donde los frenos del vehículo convierten la energía cinética en electricidad almacenada en la batería. Los coches eléctricos son significativamente más eficientes que los motores tradicionales, con más del 77% de la energía en electricidad convertida en movimiento con frenado regenerativo.

El cambio hacia la generación de energía más limpia
En los Estados Unidos, el uso de carbón ya se ha reducido significativamente y los expertos predicen una disminución adicional del 7,7 por ciento en la combinación de generación durante los próximos cuatro años. Como una alternativa más ecológica al carbón, las principales empresas de energía están cambiando al gas natural para alimentar la red.

En 2018, el gas natural representó el 35% de la combinación energética de EE.UU. Las energías renovables también están aumentando en uso, con energía hidráulica, eólica y solar que representan el 16 por ciento de la generación total de energía y crecen a un ritmo del nueve por ciento por año. A medida que el cambio hacia la generación de energía más limpia se vuelve más prominente, el BEV, que ya tiene una huella de carbono mucho menor, continuará mejorando su calificación de eficiencia.

La infraestructura de carga está creciendo rápidamente
Por supuesto, repostar vehículos eléctricos tiene un inconveniente: la infraestructura de carga para los BEV puede ser irregular, según la ubicación. Si bien Tesla ha instalado una extensa red de más de 1.000 ubicaciones de supercargadores en los Estados Unidos con más de 25.000 ubicaciones de carga en todo el mundo, actualmente solo están disponibles para vehículos Tesla.

Afortunadamente, la infraestructura de carga está mejorando. Tesla planea abrir su red a otros vehículos pronto (Ford, GM y Rivian), aumentando drásticamente la gama de BEV. Además, en 2021, el gobierno de EE.UU. informó de sus planes para instalar rápidamente una red de carga de vehículos eléctricos de 500.000 estaciones de carga.

Con motivación política, los cargadores de vehículos eléctricos se pueden instalar rápidamente para mejorar el alcance y la eficiencia de los BEV. Solo en diciembre de 2020, China instaló 112.000 estaciones de carga de vehículos eléctricos, superando la cantidad de estaciones de carga de vehículos eléctricos en todo Estados Unidos. Como resultado, China terminó 2020 representando casi dos tercios de todas las estaciones de carga públicas instaladas a nivel mundial.

Vida futura de la batería
Finalmente, la vida útil de la batería y lo que sucede con la batería después, son factores esenciales a considerar al evaluar la compatibilidad ecológica de los BEV. Como se mencionó anteriormente, el reciclaje de baterías de iones de litio es una opción ecológica, pero actualmente el reciclaje de baterías es limitado. Sin embargo, a medida que los BEV crecen en popularidad, el enfoque en encontrar formas más limpias de reutilizarlos y reciclarlos seguirá creciendo.

Después de que una batería EV termine su vida útil típica de 17 años, un ciclo de vida comparable con los vehículos ICE tradicionales, la mayoría de las baterías aún obtendrán un porcentaje suficiente que podría hacerlas útiles para almacenar energía en la red. Esta segunda vida útil de la batería podría agregar hasta 10 años más a su vida útil original, lo que reduciría significativamente su huella de carbono de por vida.

Según un estudio reciente de Ford, los vehículos eléctricos livianos tienen aproximadamente un 64% menos de emisiones de gases de efecto invernadero desde la cuna hasta la tumba que los vehículos ICE en los Estados Unidos. Los investigadores también encontraron que cambiar de ICE a batería da como resultado una reducción más significativa de las emisiones a medida que aumenta el tamaño del vehículo debido al mayor consumo de combustible de los vehículos más grandes, como se mencionó anteriormente.

¿Qué tan rápido se degradan las baterías?
Las baterías de los vehículos eléctricos suelen degradarse debido a la temperatura, los ciclos y el tiempo. Las temperaturas de almacenamiento y funcionamiento afectan drásticamente el ciclo de vida de las baterías; en general, los climas más cálidos afectan negativamente la vida útil de la batería EV. A medida que la batería se somete a ciclos de carga, pierde lentamente su máximo potencial. Sin embargo, no usar o cargar una batería EV no significa que durará para siempre, ya que las baterías de iones de litio también están sujetas a la degradación del calendario con el tiempo.

A diferencia de las baterías de iones de litio de los teléfonos inteligentes y las computadoras portátiles, las baterías de los vehículos eléctricos aprovechan los complejos sistemas de administración de baterías (BMS) que regulan cómo se cargan y descargan las baterías para prolongar su vida útil. El gobierno de EE.UU. obliga a las empresas fabricantes de vehículos eléctricos a garantizar las baterías durante ocho años o 100.000 millas, mientras que California extiende esa garantía a 10 años o 150.000 millas.

A medida que las baterías llegan al final de su ciclo de vida, el reciclaje de los componentes de la batería también podría ayudar a reducir su impacto ambiental. El abastecimiento de materiales actualmente representa aproximadamente el 50 por ciento de las emisiones de gases de efecto invernadero durante el proceso de fabricación de las baterías. Encontrar formas eficientes de reciclar estos materiales, como el aluminio, el níquel y el cobalto, ayudará a reducir la necesidad de extraer más recursos naturales, lo que hará que el proceso de producción sea más limpio.

Pronóstico Tecnológico: el futuro de los BEV
Teniendo en cuenta que el desarrollo de la tecnología BEV avanza rápidamente y que la infraestructura de carga pública experimentará mejoras en un futuro cercano, es probable que muchos de los factores presentados aquí cambien con el tiempo. La electrificación está reduciendo y eliminando muchas piezas utilizadas en los ICE tradicionales, con menores costos de batería que aceleran la transición del mercado a los BEV.

Si el costo de las baterías de iones de litio por kWh y los impactos ambientales disminuyen, esto alteraría drásticamente el panorama general de los BEV. Con el tiempo, la combinación energética de EE.UU. para la generación de electricidad continuará cambiando de fuentes convencionales a energías renovables y aumentará el uso de gas natural para alcanzar los objetivos de emisiones.

Desde el lanzamiento de los BEV en los Estados Unidos en 2010, el costo de fabricación de los paquetes de baterías ha disminuido significativamente. Los expertos predijeron que el costo por kWh de las baterías de iones de litio se reduciría drásticamente para 2020, cayendo a USD$120 por kWh. Sin embargo, como se anunció en septiembre de 2020, el nuevo paquete de baterías “4680” de Tesla ha reducido los costos de la batería hasta USD$57 por kW/h. Al mismo tiempo, la densidad de las baterías seguirá mejorando y las baterías más ligeras proporcionarán una mayor autonomía de conducción para los BEV.

Con base en las futuras tendencias tecnológicas y los estándares de emisiones, es probable que las empresas fabricantes de BEV aprovechen estos desarrollos para aumentar el tamaño del paquete de baterías y ampliar el rango de BEV, como se vio con el Chevrolet Bolt. Estos cambios aumentarán aún más el perfil ecológico de los BEV, mientras que los vehículos tradicionales costarán cada vez más producir de acuerdo con los estrictos estándares de economía de combustible promedio corporativa (CAFE).

Ganar en un mundo BEV
Si bien la tecnología de los vehículos eléctricos y la eficiencia de las baterías continúan mejorando año tras año, ha habido muchos menos avances para los ICE. A medida que los BEV se convierten en el enfoque principal de las empresas fabricantes de automóviles y se fortalecen los estándares de emisiones, los ICE, e incluso los vehículos híbridos enchufables, pueden eliminarse gradualmente.

La adopción general de los BEV no ocurrirá de la noche a la mañana. Aún así, está llegando a una velocidad rápida, y la supervivencia y el crecimiento de los proveedores de automóviles tradicionales dependerán de cómo puedan planificar para el futuro, lo que requiere un conocimiento experto para navegar.