Optimización de los sistemas HVAC en autobuses eléctricos: Un avance clave para la movilidad sostenible

La movilidad urbana está en plena transformación. Con la electrificación del transporte público, los autobuses eléctricos se presentan como una de las soluciones más prometedoras para reducir las emisiones y la contaminación en las ciudades. Sin embargo, su adopción masiva enfrenta desafíos técnicos cruciales, y uno de los más relevantes es el alto consumo energético de los sistemas de climatización o HVAC (en sus siglas en inglés: heating, ventilation and air conditioning).

Un autobús eléctrico bien diseñado puede alcanzar niveles óptimos de eficiencia energética, pero el sistema HVAC puede representar hasta el 50% de la reducción de autonomía en condiciones extremas, afectando directamente la operatividad de las flotas. ¿Cómo optimizar estos sistemas para mejorar la eficiencia sin comprometer el confort térmico?

Este es el reto que nuestro compañero, Joan Dídac Viana Fons, ha abordado en su tesis doctoral: “Detailed modeling, simulation and optimization of HVAC systems for electric buses in urban environments under real operating conditions”, donde ha desarrollado un modelo integral de simulación y optimización de HVAC en autobuses eléctricos urbanos, basado en condiciones reales de operación en contextos urbanos. Su investigación ofrece herramientas innovadoras para mejorar la eficiencia energética del transporte público y reducir los costos operativos.

El reto: Reducir el impacto energético del HVAC en autobuses eléctricos

El transporte urbano representa más del 50% de los viajes en transporte público terrestre en Europa, y la transición hacia modelos eléctricos es un paso fundamental para alcanzar los objetivos de sostenibilidad. Pero antes, algunos datos claves:

• El transporte es un servicio esencial, reconocido como uno de los servicios esenciales dentro de los Pilares Europeos de Derechos Sociales.
• El transporte es el sector que más emisiones emite y energía consume de la Unión Europea, en torno a un cuarto del total. Además, mientras que el resto de sectores han reducido sus emisiones, el transporte sigue aumentándolos.
• El transporte con autobús es el transporte público más flexible y económico.
• Aunque actualmente solo el 2% de los autobuses de la UE son eléctricos, en 2023, una tercera parte de todos los nuevos autobuses en Europa serán eléctricos.
• Los autobuses urbanos probablemente sean la flota de vehículos que más pronto se electrifique por completo, ya que la UE se ha comprometido a que todos los nuevos autobuses urbanos deberán ser de cero emisiones para 2035.

Para llevar a cabo esta adopción masiva, se tienen que abordar una serie de desafíos técnicos, enfocados en reducir su consumo energético, para reducir sus emisiones y aumentar su autonomía. 

Un modelo integral basado en simulación avanzada

Para enfrentar estos retos, nuestro compañero, Joan Dídac Viana Fons, ha desarrollado un modelo de simulación detallado que permite analizar con precisión el comportamiento energético de los sistemas HVAC en autobuses eléctricos urbanos. Su enfoque combina múltiples modelos en un entorno de simulación que permite evaluar diferentes estrategias de eficiencia y optimización.

Los principales componentes del modelo son:

• Modelo 3D del entorno urbano: Simula la ciudad con precisión, incluyendo edificios, árboles y calles, para calcular el impacto del sombreado y la radiación solar sobre el autobús.
• Modelo climático y cinemático: Reproduce las condiciones ambientales exteriores, incluyendo temperatura, humedad, radiación solar y orientación del vehículo, además de modelar la velocidad y el patrón de tráfico en rutas reales.
• Modelo térmico del autobús: Calcula las ganancias de calor y pérdidas térmicas, considerando la ocupación del vehículo, el intercambio de aire y los materiales de la carrocería.
• Modelo detallado del sistema HVAC: Evalúa el funcionamiento de cada componente, desde el compresor hasta los ventiladores y sistemas de calefacción, permitiendo ajustar dinámicamente su operación para maximizar la eficiencia.
• Modelo de batería y consumo global: Integra el HVAC con el resto de los sistemas del autobús para calcular la autonomía real en función de la demanda energética.
• Simulación en condiciones reales: Se han aplicado estos modelos a rutas urbanas reales en València, permitiendo evaluar el impacto del HVAC en distintas condiciones climáticas y operacionales.

Gracias a esta metodología, se han podido analizar estrategias para reducir la demanda energética del HVAC, optimizar el tamaño de los componentes y mejorar la eficiencia del sistema.

Resultados clave y aplicaciones

Los hallazgos de la tesis han revelado que:

• Consumo medio diario del HVAC está en torno a 38 kWh (con 53-64 kWh en verano y 23-27 kWh en invierno)
• El modo de refrigeración predomina un 45% del tiempo, seguido de la ventilación (31%) y la calefacción (24%).
• La reducción media de autonomía debido al equipo HVAC está en torno al 10-20% en verano y 3-7% en invierno.
• Para días muy cálidos el equipo HVAC consume en torno a 72 kWh (20% autonomía), pudiendo llegar a  100 kWh (26% autonomía) en casos extremos.
• Para días muy fríos el equipo HVAC consume en torno a 53 kWh (15% autonomía), pudiendo llegar a 107 kWh (27% autonomía) en casos extremos.
• El compresor es el mayor consumidor de energía, representando entre un 58-75% del consumo del HVAC.
• Podemos reducir la demanda de energía en un 20-31% mediante mejoras en aislamiento y recubrimientos y en un 23-27% mediante una buena gestión de los intercambios de aire con el exterior (como aperturas de ventanas o cortinas de aire).
• Optimizar el tamaño del compresor al emplazamiento específico de operación puede reducir costes sin pérdida de eficiencia ni confort.

Estos resultados tienen un gran impacto en la planificación de flotas de autobuses eléctricos, ayudando a operadores y fabricantes a tomar decisiones más informadas para mejorar la eficiencia y sostenibilidad del transporte urbano.

Felicitamos a nuestro compañero por este gran logro y por su contribución al futuro de la movilidad sostenible. En ImpactE estamos orgullosos de contar con profesionales que impulsan la innovación en la transición energética y mantienen viva nuestra visión y misión.

Te invitamos a leer otras investigaciones relacionadas a esta temática:

• A Dynamic cabin model of an urban bus in real driving conditions: https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.129769
• Development and validation in a 2D-GIS environment of a 3D shadow cast vector-based model on arbitrarily orientated and tilted surfaces: https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.110258
• HVAC system operation, consumption and compressor size optimization in urban buses of Mediterranean cities: https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.131151

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