El debate sobre cómo resolver los retos de la electrificación de las máquinas de construcción

La clave para el despliegue de las máquinas eléctricas es comprender sus demandas típicas de potencia y energía en el ciclo de trabajo diario.
Foto: IDTechEx

Los fabricantes del mercado de equipos y máquinas de construcción de US$200.000 millones se enfrentan a un complejo reto. Deben reducir en gran medida su dependencia del combustible diésel, que es el sustento de su maquinaria móvil, y pasar a tecnologías de menores emisiones.

Al mismo tiempo, deben seguir proporcionando el rendimiento que esperan sus clientes, asegurando al mismo tiempo que el coste total de propiedad (TCO) haga viable la adopción de estas máquinas más limpias.

El nuevo informe de IDTechEx «Vehículos eléctricos en la construcción 2022-2042» (Vehículos eléctricos en el sector de la construcción 2022-2042) ofrece una evaluación exhaustiva del progreso actual en este sector emergente, con detalles de estudios de casos y antecedentes de las tecnologías clave.

Para realizar las mismas tareas que las máquinas diésel equivalentes, los elementos de la cadena cinemática de los vehículos eléctricos de la construcción deben tener el mismo tamaño y rendimiento. Para ello es necesario dimensionar correctamente el motor y la batería.

Por lo tanto, la clave para el despliegue de las máquinas eléctricas es comprender sus demandas típicas de potencia y energía en el ciclo de trabajo diario. Dado que el sector de la construcción emplea una gran variedad de máquinas todoterreno, las necesidades máximas de potencia del motor varían en función de la aplicación y el tamaño.

Del mismo modo, la demanda total de energía diaria se rige por el caso de uso de la máquina, ya que algunos ciclos de trabajo solo necesitan un funcionamiento esporádico durante el día, mientras que otras máquinas funcionan casi continuamente. Los sistemas modulares son necesarios para optimizar el rendimiento y el coste de las máquinas eléctricas.

Tamaño del motor de la excavadora eléctrica frente a las excavadoras con motor de combustión. Fuente: IDTechEx – «Vehículos eléctricos en la construcción 2022-2042».

Máquinas de construcción compactas

La mayoría de los fabricantes, especialmente en EE. UU. y Europa, han centrado sus trabajos iniciales de desarrollo de la electrificación en máquinas de construcción compactas. Su pequeño tamaño y requisitos de ciclo de trabajo relativamente ligeros, significan que una jornada de trabajo típica de 8 horas puede cumplirse con un tamaño práctico de batería de iones de litio (<50 kWh) y motor eléctrico (<20 kW).

Se evalúan varias posibilidades para cargar estas máquinas, como las soluciones de baterías grandes, que pueden ofrecer una jornada de trabajo completa sin necesidad de recarga, baterías más pequeñas con posibilidad de carga rápida durante la jornada de trabajo, funcionamiento con cable y cambio de baterías.

El tamaño óptimo de la batería para cada máquina tendrá que equilibrar factores como:

— El alto coste de los paquetes de baterías fuera de carretera

— El impacto de la carga rápida en la vida de la batería

— La disponibilidad de un suministro eléctrico estable

— El coste de la instalación de la infraestructura de carga en los lugares de trabajo.

Aunque las máquinas pequeñas son el punto de partida natural para la electrificación en este mercado, son las máquinas de construcción más pesadas las que más contribuyen a las emisiones de CO₂ del sector. Es vital que los fabricantes de equipos originales también ofrezcan soluciones de cero emisiones para estos vehículos más grandes.

La carga de baterías enormes

El problema radica en que máquinas como las grandes excavadoras pueden demandar más de 75 kWh de energía por hora de funcionamiento. Esto significa que hay que instalar una batería enorme cuando se exige un turno continuo de ocho horas.

Con los precios actuales de los paquetes de baterías de iones de litio para vehículos pesados (US$600/kWh), estas enormes baterías dificultan la viabilidad del CTO. La estrategia de carga de las máquinas más grandes será clave para reducir la necesidad de capacidad de las baterías instaladas.

Se exploran diferentes enfoques, por ejemplo, muchos fabricantes chinos de equipos originales han optado por un método de carga rápida de CC de doble pistola, que puede añadir 300 kWh en una pausa para el almuerzo.

La empresa holandesa Urban Mobility Systems desarrolló un sistema de intercambio de baterías que utiliza tres módulos de baterías de 130 kWh. El sistema UMS se ha probado en grandes excavadoras Doosan y Hyundai.

Tecnología hidráulica digital y sistemas eléctricos

La mejora de la eficiencia del tren de potencia también será crucial. Casi todas las máquinas de construcción eléctricas actuales han sustituido el motor diésel por baterías y motores eléctricos. Sin embargo, todavía emplean un sistema hidráulico estándar, cuya eficiencia puede ser de hasta un 30 %.

Empresas como Danfoss desarrollan una tecnología hidráulica digital que mejora la eficiencia del tren de potencia, reduciendo el consumo de energía. El resultado es que se puede usar una batería más pequeña para ofrecer los mismos días de trabajo.

El objetivo final de las máquinas de construcción eléctricas son los sistemas totalmente eléctricos, que sustituyen por completo a la hidráulica y emplean actuadores y motores de accionamiento eléctricos.

Doosan Bobcat lanzó una cargadora de orugas totalmente eléctrica, la T7X, en el CES 2022. La mejora de la eficiencia del sistema totalmente eléctrico permite el uso de una batería de 62 kWh. Si el vehículo hubiera empleado el sistema hidráulico, la batería habría necesitado tener una capacidad de más de 300 kWh para ofrecer la misma resistencia.

Innovación necesaria

En la próxima década habrá que seguir trabajando en el desarrollo de sistemas totalmente eléctricos para que se generalice su empleo. Los actuadores eléctricos son actualmente caros y todavía no pueden satisfacer las exigencias de las máquinas de construcción más grandes.

La innovación es necesaria para lograr la electrificación en este difícil sector, y las empresas con visión de futuro ya están dedicando esfuerzos y recursos a superar estos retos. IDTechEx prevé que la parte eléctrica del mercado de vehículos y máquinas de construcción tendrá un valor de más de US$$100.000 millones en 2042.

Sobre el informe de IDTechEx

El nuevo informe de IDTechEx «Vehículos eléctricos en la construcción 2022-2042» analiza los trabajos de electrificación en curso en toda la gama de tipos de máquinas de construcción, incluidas las excavadoras, las cargadoras de ruedas, grúas, entre otrsos.

El informe ofrece las perspectivas independientes de IDTechEx para el mercado de los vehículos eléctricos de construcción a 20 años. Tiene previsiones de ventas, demanda de baterías e ingresos de mercado, por tipo de máquina, y previsiones regionales separadas para Europa, China y EE. UU.

El informe forma parte de la cartera de investigación sobre movilidad más amplia de IDTechEx, que sigue la adopción de vehículos eléctricos, las tendencias de las baterías, la autonomía y la demanda en tierra, mar y aire.

 

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