Autobuses eléctricos urbanos consumen hasta 48% más energía en invierno

La transición hacia flotas de autobuses urbanos completamente eléctricos, un pilar en la lucha contra el cambio climático, ha tropezado con un obstáculo significativo en regiones con inviernos rigurosos. Un programa piloto en Ithaca, Nueva York, ha puesto de manifiesto estas dificultades.

En 2021, Tompkins Consolidated Area Transit (TCAT) de Ithaca recibió una subvención para adquirir siete autobuses totalmente eléctricos. Con ello, inició un programa piloto que, según se reporta, "no resultó como esperaban".

Además de los problemas iniciales con los propios fabricantes de los vehículos, los autobuses eléctricos presentaron serias dificultades operativas. Luchaban con el terreno montañoso característico de Ithaca y demostraron ser poco fiables, con una autonomía considerablemente reducida, especialmente bajo condiciones de clima frío.

TCAT ya se había puesto en contacto con investigadores de la Universidad de Cornell para obtener información y análisis detallados de este programa piloto. Ahora, esos investigadores han publicado un estudio exhaustivo sobre el bajo rendimiento de los autobuses en el frío.

Sus hallazgos, divulgados el 27 de mayo en la revista especializada Transportation Research Part D, tienen implicaciones importantes para ciudades, distritos escolares y otros organismos que consideran la electrificación de sus flotas, así como para operadores, legisladores y fabricantes.

El estudio es el primero en evaluar y analizar el rendimiento de autobuses eléctricos en el noreste de Estados Unidos. Se basó en un conjunto de datos sin precedentes que cubre una distancia significativa: más de 80.000 kilómetros (casi 50.000 millas) recorridos a bajas temperaturas.

La investigación cuantificó el drástico aumento del consumo de energía de la flota piloto en Ithaca. Se encontró que las baterías de los autobuses eléctricos consumían un alarmante 48% más de energía en clima frío (entre -4 y 0 grados Celsius).

Incluso en un rango de temperatura invernal más amplio, entre -12 y 10 grados Celsius (aproximadamente 10 a 50 grados Fahrenheit), el consumo energético seguía siendo casi un 27% superior al óptimo.

“Nos beneficiamos del liderazgo de TCAT en esta región, y es un verdadero privilegio tener acceso a estos datos, lo que nos permite observar el rendimiento en tiempo real”, afirmó Max Zhang, autor principal del estudio y profesor en Cornell Engineering.

“Una de las lecciones que hemos aprendido", añadió Zhang, "es que estos autobuses deberían diseñarse para todo el país, incluidos los estados con climas más fríos. También hemos descubierto que son diferentes de los autobuses diésel convencionales, con comportamientos diferentes, lo que requiere estrategias diferentes para aprovechar esto”.

Los investigadores, entre ellos el primer autor y estudiante de doctorado Jintao Gu, modelaron el rendimiento de los autobuses a temperaturas óptimas. Luego, lo compararon con el rendimiento real observado en más de 40 rutas y horarios complejos del sistema TCAT.

Descubrieron que la mitad del aumento del consumo en climas fríos se debe a la propia necesidad de las baterías de calentarse. Las baterías de los vehículos eléctricos funcionan a una temperatura óptima de unos 24°C (75°F).

Cuanto más fría esté la batería al arrancar el autobús, más energía se necesita para llevarla a esa temperatura de trabajo ideal, lo que reduce la energía disponible para la propulsión y otros sistemas.

El otro factor principal identificado es la calefacción de la cabina del autobús. Con paradas frecuentes, especialmente en rutas urbanas donde las puertas se abren y cierran cada pocos minutos, las baterías deben esforzarse mucho más para mantener una temperatura confortable para los pasajeros.

“En un vehículo totalmente eléctrico, la batería es la única fuente de energía a bordo”, recordó Zhang, quien también es profesor del Centro Atkinson para la Sostenibilidad de Cornell. “Todo tiene que provenir de ella”.

El estudio también reveló que el frenado regenerativo, un sistema que recarga la batería capturando energía durante el frenado, era menos eficiente en climas fríos. Esto se debe probablemente, según los investigadores, a que la batería de un autobús eléctrico (unas ocho veces más grande que la de un coche eléctrico estándar) tiene dificultades para mantener una temperatura uniforme en todas sus celdas cuando hace frío.

Para mitigar estos problemas a corto plazo, los investigadores proponen algunas estrategias operativas. Estas incluyen guardar los autobuses en recintos interiores cuando no estén en uso, para que la temperatura ambiente sea más cálida al inicio del servicio.

También sugieren cargar las baterías cuando todavía están calientes después de una ruta y limitar el tiempo que las puertas de los autobuses permanecen abiertas en las paradas para conservar el calor de la cabina.

A mayor escala, Jintao Gu enfatizó que la investigación apunta a la necesidad de mayores ajustes o evaluaciones de la infraestructura para dar cabida de forma eficiente a los autobuses eléctricos.

"Hay que intentar optimizar el horario de todos los autobuses y considerar la capacidad de la infraestructura: cuántas estaciones de carga hay y si se cuenta con un garaje propio", dijo Gu.

Además, añadió: "Hay que capacitar a los conductores, despachadores y personal de servicio. Creo que, desde una perspectiva operativa y de infraestructura, hay muchos mensajes aquí para la planificación futura del sistema de transporte público”.

Gu también señaló que la variada geografía de Ithaca, con sus rutas urbanas, rurales y terreno montañoso, permitió a los investigadores obtener información aún más detallada. Descubrieron que los autobuses eléctricos experimentaron un menor aumento de consumo energético en las rutas rurales durante el frío, en comparación con las urbanas.

Esta información podría ser valiosa para los planificadores de transporte. Les permitiría elegir estratégicamente qué rutas asignar a los autobuses eléctricos dentro de una flota mixta, optimizando su rendimiento y autonomía.

El drástico aumento del consumo energético en invierno fue algo inesperado, admitió el profesor Zhang. «Pero cualquier lección es buena. Esto nos ayuda a aprender como sociedad y a ser mejores».

La investigación es también un ejemplo de colaboración mutuamente beneficiosa entre la comunidad de Ithaca, a través de TCAT, y los investigadores de Cornell. El equipo de Zhang se ha reunido repetidamente con funcionarios de TCAT a medida que avanzaba el estudio.

“Estamos aprendiendo de la perspectiva de cada uno y compartiendo nuestras perspectivas”, dijo Zhang. “Es hermoso, ¿verdad? Los investigadores de Cornell y TCAT estamos aprendiendo al mismo tiempo, a través de los datos, mediante la colaboración”.