Considerando los costes ecológicos de generar la electricidad, ¿qué tan contaminantes se pueden considerar los automóviles eléctricos?

Creo que es una pregunta un poco compleja de analizar con todos los detalles.

Todos los detalles incluirían cosas como la contaminación de las baterías, las pérdidas en el transporte de la electricidad, pérdidas en la carga y la descarga de la batería, la eficiencia de los motores de un tipo y otro…

Sin embargo, se podría esbozar una respuesta a grandes rasgos, sin entrar del todo en detalles:

1. La generación de electricidad se hace a cierta distancia de las ciudades. Y uno de los principales problemas de la contaminación es el daño directo a la salud de las personas, por respirar aire contaminado, especialmente por los NOx (óxidos de Nitrógeno, como el NO2 y el NO).
   Aunque se quemase igual cantidad de combustible para el coche eléctrico, o incluso un poco más, el hecho de hacerlo lejos de las personas es una ventaja para la salud de mucha gente.
2. La generación de electricidad se puede hacer de diferentes maneras, y algunas de ellas son formas de generación limpias: hidroeléctrica, energía solar, energía eólica… y otras no serían limpias: con combustibles fósiles, etc. Sin embargo, el vehículo de combustión siempre usa combustible fósil.
3. El motor eléctrico es mucho más eficiente que el de combustión y la conversión de energía a partir de combustible en una central es más eficiente que en un vehículo. La eficiencia de un motor eléctrico puede ser incluso más del 95%, mientras que la eficiencia de un motor de combustión de un automóvil sería entre el 20% y 30%. Y en una central térmica sería entre el 33% y el 61%, típicamente, o en media, quizá alrededor del 45%.

Ahora, después de ese esbozo, voy a entrar en detalles de cálculos por si a alguien le interesan. Y finalizaré con la fórmula que relaciona las variables.

Por el punto 2, si se despreciasen las pérdidas por transporte de la energía eléctrica, parecería claro que con que un 1% se produzca de forma limpia ya sería más limpio el eléctrico. Pero es que en España se genera alrededor del 40% con renovables (año 2016, y creciendo)… Por tanto, aunque se pierda un 10% en el transporte de la electricidad por líneas de alta tensión y otro poco en la carga-descarga de la batería puede salir un balance positivo (en España sí pero otros países, no, como analizo en otras respuestas [1] ).

Hagamos un cálculo sencillo. La eficiencia de carga-descarga de una batería suele andar por el 70%. (*** Bueno, esto ha mejorado, hacia el 80% ó 90%)
Por cada unidad de energía útil en el coche eléctrico, la que va al motor eléctrico saliendo de la batería, necesitas 1/0.70 que tomas del enchufe. Eso es 1.42 … Y eso hay que dividirlo por 0.90 porque un 10% se va en el transporte de la electricidad, desde la central donde se produce, hasta el enchufe donde cargas. Así que debe salir 1.587 (= 1.42 / 0.90) y esto lo multiplicamos por 0.60, ya que el 60% de la electricidad se produce de fuentes sucias y un 40% de renovables. El resultado sale 0.95… Es decir, por cada unidad de energía que usamos en el motor eléctrico hemos quemado solamente 0.95 = 0.60/0.70/0.90… Pero aún faltarían cálculos por hacer.

Por el punto 3, aplicando la eficiencia del motor eléctrico del 95%, si se hace el cálculo completo sería: 0.60/0.70/0.90/0.95 = 1.
Es decir, por cada unidad producida en la central eléctrica con combustible fósil, se produce otra cantidad menor con renovables, y se pierde una parte en todo el proceso (transporte, carga+descarga de batería y transformación en movimiento), que resulta ser equivalente a la parte de renovables, así que se traduce en movimiento esa misma unidad producida con combustible fósil.
En el caso de motores de combustión la máxima eficiencia sería del 45% pero solamente se obtiene con motores especiales, híbridos, como los navales, que supongo que serían los que usan las centrales de generación (*** no exactamente, los de ciclo combinado en centrales de gas son más eficientes todavía). Sin embargo, la eficiencia de un motor de un coche estaría entre el 20% el 30%.
Supongamos el 30% (cifra optimista para el vehículo de combustión), eso quiere decir que por cada unidad de energía traducida en movimiento gastamos más de 3 unidades de combustible.
En el caso de la central eléctrica térmica, por cada unidad de energía eléctrica producida, se consumen 1/0.45 = 2,222 de combustible. Y por el cálculo anterior la unidad de energía eléctrica se traduce en una unidad de energía de movimiento.
Así que en igualdad de unidades de energía de movimiento (energía mecánica) el vehículo de combustible ha gastado 3 unidades de combustible y el eléctrico solamente 2.22 . Si dividimos 3 entre 2.22 sale 1.35 … así que el vehículo de combustión contaminaría un 35% más.

Faltaría un detalle más. El vehículo eléctrico requiere cargar con una pesada batería, mientras que el vehículo de combustión solamente carga el combustible, que es más ligero. El peso de la batería puede ser entre 100 Kg y 500 Kg… en los casos peores supone un 30% de incremento de peso del coche. Así que el eléctrico no gastaría 2.22 unidades de combustible, sino 2.22 * 1.3 = 2.886 unidades.
Y el de combustión, aunque redondeé a 3 realmente serían 1/0.3 = 3.3333
Si dividimos: 3,3333 / 2,886 = 1.15
Y si en lugar de un 30% del peso, la batería supone solamente un 20% más sería :
3.3333 / (2.2222*1.2) = 1.25

Ejemplo: un eléctrico bastante popular en Europa es el Renault Zoe [2][3] , con una batería de 300 kg y un peso del vehículo de 1428 kg, así que es un 21%. Cofras parecidas al Nissan Leaf: 294 kg vs 1474 kg, un 20%.

Así que el vehículo de combustión contaminaría entre un 15% y un 25% más, siendo optimistas.

Resumiendo el cálculo:
0.60/0.70/0.90/0.95 = 1 es la energía sucia por 1 de energía que sale de la batería
0.60/0.70/0.90/0.95 * 1.3 /0.45 = 2.89 es la energía sucia por 1 de movimiento en VE

1/0.3 = 3.333 es la energía sucia por 1 de movimiento en V. de Combustión.

[1/(0.3) ] / [ 0.60/0.70/0.90/0.95 * 1.3 /0.45 ]= 1.15

Si hiciésemos la división al revés:
[ 0.60/0.70/0.90/0.95 * 1.3 /0.45 ] / [1/(0.3) ] = 0.87
Que significa que el VE contamina el 87% de lo que contamina el VC, es decir, un 13% menos.

Eso suponiendo que la eficiencia del motor de combustión fuese de un 30%, porque si fuese del 20%,

[1/(0.20) ] / [ 0.60/0.70/0.90/0.95 * 1.3 /0.45 ] = 1.726

y si la batería solamente incrementa un 20% el peso,
que sería el caso peor para el VC, sería:

[1/(0.20) ] / [ 0.60/0.70/0.90/0.95 * 1.2 /0.45 ] = 1.87

O más exacto:

Es decir, en el caso peor el vehículo de combustión podría contaminar ¡¡hasta un 87% más!!

Eso sí, no tuve en cuenta el reciclado de las baterías del coche eléctrico, pero en todo lo demás parece claro la ventaja.

También dije que el porcentaje de energía eléctrica que viene de renovables va aumentando… Es obvio que si el 100% viniese de energías renovables (hidroeléctrica, solar, eólica, mareas… ) el eléctrico no contaminaría nada… y el de combustible contaminaría en proporción a nada infinitas veces más. Pero claro, esto no es realista: no siempre hace viento y no siempre es de día, así que eso del 100% es pura fantasía. Pero si se llega solamente al 60% en lugar del 40% actual, lo que contaminaría el eléctrico sería un factor de 0.4 en lugar de 0.6, es decir, una reducción del 33%. Lo que antes era 0.60/0.70/0.90/0.95 = 1, sería 0.40/0.70/0.90/0.95 = 0.6666 y dividiendo entre 0.45 quedaría 1.48 en lugar de 2.22

Y dividiendo:
3.3333/(1.48 * 1.3) = 1.73
3.33333 / (1.48*1.2) = 1.87
5 / (1.48*1.2) = 2.81

O directamente con la fórmula:
[1/(0.30) ] / [ 0.40/0.70/0.90/0.95 * 1.3 /0.45 ] = 1.73

[1/(0.30) ] / [ 0.40/0.70/0.90/0.95 * 1.2 /0.45 ] = 1.87

[1/(0.20) ] / [ 0.40/0.70/0.90/0.95 * 1.2 /0.45 ] = 2.81

Así que en este caso, previsible en un futuro cercano, el vehículo de combustión contaminaría mínimo un 73% más, típicamente un 87% más, y en el caso peor un 181% más!!

En Noruega, que solamente el 1% del mix sería sucio:

[1/(0.30) ] / [ 0.01/0.70/0.90/0.95 * 1.3 /0.45 ] = 69 … ¡¡un 6800%!!
[1/(0.30) ] / [ 0.01/0.70/0.90/0.95 * 1.2 /0.45 ] = 74.81 ¡¡Un 7381%!!
[1/(0.20) ] / [ 0.01/0.70/0.90/0.95 * 1.2 /0.45 ] = 112.22 ¡¡Un 11222%!!

O haciendo la división al revés, en Noruega el VE contamina, como mucho el
[ 0.01/0.70/0.90/0.95 * 1.2 /0.45 ] / [1/(0.20) ] = 0.0089
Es decir, menos del 0.9% lo que contamina el de combustión.

Tampoco tuve en cuenta el traslado de la gasolina o diésel a las gasolineras, ni la posible menor contaminación que pueden suponer las centrales nucleares, etc.

En el caso de un vehículo híbrido de los que no se cargan en la red eléctrica, sino que se cargan con un generador poco eficiente a partir de combustible, no tendríamos las pérdidas de transporte de energía, pero sí tendríamos las pérdidas de carga y descarga de la batería, añadidas a una generación eléctrica poco eficiente… Sería: 1/0.70/0.95 = 1.50 … y, luego, 1.50 / 0.30 = 5 … y 5*1.2 = 6, así que ¡¡un híbrido contaminaría más que un vehículo de combustión!!

Nota: estos cálculos los acabo de hacer ahora por mi cuenta, a base de pequeños datos encontrados por ahí…
Espero no haber cometido muchos errores, pero soy un humilde ingeniero de teleco que no estoy especializado en energía. No lo toméis como algo cierto al 100% con estadísticas superprecisas pero creo que por ahí van los tiros… Puede variar con diferentes vehículos (según el peso, por ejemplo), diferentes baterías, diferentes motores, etc.

Edito: las variables serían:

• ECD: Eficiencia de Carga y Descarga de la batería (de Litio, etc): 70% (*)
• PPT: % de Pérdidas por Transporte de electricidad (alta tensión): 10%
• EME: Eficiencia de un Motor Eléctrico: entre 90% y 95%
• ECT: Eficiencia de una Central Termoeléctrica: 45% (**)
• EMC: Eficiencia de un Motor de un vehículo de Combustión: entre 20% y 30%
• PPB: % de Peso del vehículo que supone añadir una pesada Batería: 15% a 30%
• PNR: % de energía eléctrica que se produce con fuentes No Renovables: 60%

Las fórmulas serían:

Unidades de combustible por unidad de energía de movimiento en VE:

UCVE = PNR * (1+PPB) / [ECT * ECD * EME * (1-PPT) ]

UCVE=PNR∗(1+PPB)ECT∗ECD∗EME∗(1−PPT)UCVE=PNR∗(1+PPB)ECT∗ECD∗EME∗(1−PPT)

Unidades de combustible por unidad de energía de movimiento en VC:
UCVC = 1 / EMC
UCVC=1EMCUCVC=1EMC

Relación Unidades de combustible VC entre Unidades de combustible VE:

VCVER = [ ECT * ECD * EME * (1-PPT) ] / [ EMC * PRN * (1+PPB) ]

VCVER=ECT∗ECD∗EME∗(1−PPT)EMC∗PNR∗(1+PPB)VCVER=ECT∗ECD∗EME∗(1−PPT)EMC∗PNR∗(1+PPB)

De todas las variables la más cambiante es el mix y en el resto se pueden poner valores más o menos típicos.

ECD = 0.90

PPT = 0.10

EME = 0.90

ECT = 0.40

EMC = 0.25

PPB = 0.20

Quedaría:

VCVER = [ 0.4 * 0.9 * 0.9 * (1–0.1) ] / [ 0.25 * PNR * (1+0.2) ]

= 0.2916 / (0.3 * PNR)

VCVER = 0.972 / PNR

Bastaría que el porcentaje de no renovables sea menor del 97.2% para que el VC contamine más.

O, dicho de otra forma, bastaría con tener solamente un 2.8% de renovables, que es muy poco y cualquier país lo tiene.

Para el caso de España, PNR = 0.60 y quedaría 1.62, es decir que el VC contaminaría un 62% más.

(*) Actualizo:
Según veo ahora, las cifras reales son todavía más favorables al coche eléctrico.
Por ejemplo, la eficiencia de carga-descarga de una batería de Litio, que creo que son las más usadas actualmente (no solamente en teléfonos, sino también en vehículos eléctricos), estaría entre el 80% y el 90% (bastante mejor que el 70% que dije). El dato es fiable, de la universidad de Stanford, y del año 2010, así que es muy posible que esto haya mejorado.
Car Battery Efficiencies
También son las cifras que da Wikipedia para la batería de Litio.
De los coches eléctricos que he mirado casi todos usan batería de Litio: Tesla, Renalt Zoe, BMW i3, Nissan Leaf, Toyota RAV 4 EV… Solamente el Smart no usa Litio.

(**) En cuanto a la eficiencia de las centrales termoeléctricas, según he visto ahora, su eficiencia podría estar típicamente entre 33% y 48%. Sin embargo, algunas centrales de gas por de ciclo combinado alcanzan el 62% (y teóricamente podrían alcanzar más) y estas de ciclo combinado serían como la mitad de las térmicas que hay en España. Si la eficiencia es 60% en la mitad de los casos y 33% en el mínimo en otros casos, en media sería mínimo 46.5% así que el dato de 45% sería tirar un poco por abajo, en contra del VE.

Si aplico estás últimas cifras que dije saldría:
0.60/0.80/0.90/0.90/0.41 = 2.258

3.3333/(2.258 * 1.3) = 1.1355 → un 13.55% más
3.33333 / (2.258*1.2) = 1.23 → un 23% más
5 / (2.258*1.2) = 1.845 → un 84.5% más

Además, olvidé mencionar que algunos vehículos eléctricos o híbridos cargan sus baterías al frenar… cosa que un vehículo de combustión jamás puede hacer. Es lo que se llama el KERS o freno regenerativo [4]. He visto algún dato que dice que este tipo de frenado puede recuperar "hasta" el 70% de la energía del movimiento [5]. Aunque también dice que ese porcentaje depende de la velocidad y produce un frenado más lento, así que cuando se frena al máximo para frenar más rápido se recurre a otro frenado no regenerativo. Aparte, no todos los VE cuentan con este sistema. Si el 70% es el máximo, en los mejores casos, supongo que en media, sin velocidad ideal ni el mejor sistema de esos, puede ser la mitad, el 35%. Aparte, creo que es evidente que no toda la energía de movimiento se pierde frenando, sino más bien con el rozamiento: con el aire, con el asfalto…. Si no fuese así, un VE que se pusiese a 50 km/h en caso de no frenar nunca se mantendría a esa velocidad y podría llegar miles de kilómetros, una autonomía muy grande. Entonces, si el 75% se pierde en rozamiento y del 25% restante frenando, del cual se recupera un 35%, realmente recuperarías un 9% pero como algunas frenadas no son recuperables, recuperas un 5%. Si usass 100 y recuperas 5%, de ese 5% la suma de la serie es 1/(1–0.05) = 1.0526 … Bueno, aproximadamente dividir por 1.05 lo que contaminaría el eléctrico. Es un efecto bastante pequeño. Y si encima no todos los VE lo llevan, la importancia de tenerlo en cuenta es menor. Mi respuesta está enfocada a una cota inferior o valor mínimo de cuánto consume o contamina el VC en comparación con el VE, es decir, ponerme en el caso peor para el eléctrico (qur no lleve ese sistema o que siempre se frene a tope y no se use) y ver que aún en el caso peor, como mínimo el de combustión contamina un porcentaje más… o no, dependiendo del mix de generación, de la proporción de renovables.

Además, el motor eléctrico creo que suele pesar menos que el de combustión, pero no creo que mucho menos porque lleva cobre, cuya densidad es casi 9 gr/cm^3 = 9 kg/litro y la del acero es 8 gr/cm^3. Pero también los eléctricos que no sean muy malos suelen llevar sistemas de refrigeración de la batería, que aumenta el peso y puede compensar ese menor peso del motor.

Otro factor que beneficia al eléctrico sería toda la contaminación producida para tener el combustible en las gasolineras: extracción del petróleo, refinado, transporte, etc. El transporte es un gasto mínimo, como un 1% … Por ejemplo, un camión cisterna puede llevar 10 000 litros y gastar solo 100 en llevarlo a una gasolinera. Ese 1% se puede considerar despreciable, pero en la extracción y refinado sí se gasta más, no se si un 30%.

Y de factores que perjudican al eléctrico y que no mencioné estaría lo que contamina la extracción de materiales como el Litio, Cobalto o Manganeso para la batería… pero, aunque no es despreciable y, según calculé, producir la batería de un Tesla (544 kg) sería equivalente a 2.3 años [6] de la contaminación media de un diesel medio, eso no es una contaminación contínua o dependiente del uso, sino un factor fijo. Además, el litio se recicla, es decir, una vez extraido no hay que contaminar tanto para tener litio y hacer una batería nueva, el litio ya lo tienes. Dado que un vehículo se usa en media unos 11 años, esos 2.3 años sería un factor del 20% más, o dividir por 1.2 (caso de Tesla, y 1.1 un eléctrico más normal como el Zoe o Leaf)… aunque ya dije que no procede usarlo como factor porque es un coste fijo.

Por supuesto, aparte de los criterios de contaminación hay otros muchos factores, tanto en contra como a favor de los coches eléctricos. Un buen punto a favor podría ser el precio de la energía consumida. Los carburantes suelen tener un precio muy alto, sobre todo en países que no producen petróleo, y en gran parte debido a impuestos. Sin embargo, la carga del vehículo eléctrico, aunque sea lenta a veces es gratuita o en todo caso más barata.
¿Por qué no nos hemos pasado ya todos al coche eléctrico? Creo que entre los factores más problemáticos en contra están el tiempo de carga y la autonomía, aparte de un incremento de precio del vehículo, el cual se puede compensar en pocos años con el menor precio de la energía. Los tiempos de carga están mejorando pero tampoco se pueden hacer milagros, para cargar el coche en pocos minutos se necesitarían grandísimas potencias, y cables gordísimos, porque si no se funden por el calor… así que mínimo la carga suele ser 30 minutos o una hora (aunque más típico dejarlo cargar por la noche, unas 10 horas), hacerlo en 5 ó 10 minutos me parece casi inviable. Otro aspecto es la escasez de puntos de carga… uno puede cargar en el garaje de su casa, con la instalación adecuada, pero por la calle o en carretera es más complicado. Por último, la autonomía no suele ser muy grande, así que para un viaje largo no parece una opción muy adecuada. Sería ideal para ciudades, aunque claro, en las grandes ciudades suele haber buenos transportes públicos (metro, bus, etc.) así que muchas veces tampoco tiene tanto sentido.

Notas al pie