El reto técnico de conseguir que los techos solares en los coches sirvan para algo

Es posible que te lo hayas preguntado alguna vez: mientras conducimos un coche, o bien cuando está aparcado, ¿no habría alguna forma de "ganar" energía de alguna manera que pudiéramos utilizar luego al usar el coche?

Aquí puede que se te hayan ocurrido, o hayas oído, diversas soluciones... algo así como una dinamo de bici (que aprovecha la energía cinética, y ya se aplica), algún tipo de generador eólico (mágico), o incluso aprovechar la energía del sol. En esta línea están las propuestas de los techos solares fotovoltaicos. Vamos a explicar en este artículo qué son, cómo funcionan y para qué sirven.

Reducir consumo y emisiones con todo lo que sea posible

La realidad que preocupa a administraciones, fabricantes y consumidores es que hay que reducir el consumo de energía y las emisiones generadas en los automóviles. La motivación es tanto medioambiental y de salud, como económica (con combustibles caros, cualquier ahorro es bienvenido).

Todos los fabricantes de automóviles han ido aplicando, sobre todo en la última década, diversas medidas para ir consiguiéndolo. Las más importantes han sido:

• Reducir la masa (el peso), empleando nuevos materiales y aligerando elementos aquí y allá, pues a menor masa, menos esfuerzo tiene que hacer el motor y menor es el consumo.

• Mejorar la aerodinámica, pues con menor superficie frontal y menor resistencia al aire, menor es el consumo, sobre todo a alta velocidad.

• Emplear neumáticos de baja resistencia a la rodadura y menor peso, que ayudan a consumir menos.

• Y sobre todo desarrollar motores más modernos cada vez más eficientes, con diseños mejorados de la cámara y de la admisión, modificando el ciclo (Atkinson, Miller), con inyección directa, con más compresión, con turbocompresores, reduciendo rozamientos internos, etc.

Aunque la mayor parte de la energía que consume un automóvil es la requerida para desplazarse, y por tanto sí se puede reducir (y de hecho se reduce) con lo que acabamos de exponer, otra parte menor, pero no despreciable, es debida a los múltiples dispositivos eléctricos de equipamiento del vehículo.

La electricidad necesaria se genera a bordo con el alternador, que aumenta la carga de trabajo que tiene que realizar el motor (de ahí que aumente el consumo).

Entre otras cosas, como la recuperación de energía en la frenada (para que nos entendamos todos, algo así como esa idea de la dinamo), por ejemplo, otra propuesta que lleva años planteándose para no añadir trabajo al motor es incorporar techos solares fotovoltaicos que generen electricidad.

Techo solar y además fotovoltaico

Un techo solar, a veces también llamado techo panorámico cuando es más grande, no deja de ser una ventanilla extra abierta en el techo del coche, o incluso directamente un techo de vidrio cuando ocupa toda la superficie. Aunque el nombre puede llevar a equivocación, no se debe confundir un techo solar "a secas", con un techo solar fotovoltaico.

La motivación de un techo solar es múltiple: aumentar la cantidad de luz que entra en el habitáculo, para que sea más luminoso y espacioso, permitir ventilar mejor el interior y dar cierta sensación de conducir un descapotable, así como permitir vistas especiales a los pasajeros, por ejemplo hacia la parte alta de los edificios y el cielo.

En un momento dado a los ingenieros se les ocurrió que en el vidrio del techo solar podrían integrarse varias células fotovoltaicas que generaran algo de energía eléctrica a partir de la radiación solar. Esta electricidad se utilizaría para alimentar la batería de servicio de a bordo, la de 12 V que alimenta a los diferentes dispositivos eléctricos del coche (por ejemplo para el ventilador del habitáculo).

Esta solución aporta dos ventajas:

• La primera es que el alternador no tiene que funcionar tanto tiempo para generar la electricidad necesaria, y por tanto no se sobrecarga con más trabajo al motor y este puede consumir un poco menos.

• La segunda es que se puede consumir energía eléctrica sin encender el motor de combustión interna, y sin peligro de descargar en exceso la batería de servicio.

Células solares fotovoltaicas: poco a poco más eficientes

Célula solar fotovoltaica de silicio policristalino

Los techos solares fotovoltaicos de los coches vienen a ser algo muy similar a los paneles fotovoltaicos convencionales para cubiertas de edificios o huertos solares. El concepto básico es agrupar varias células fotovoltaicas planas formando una matriz. Varias células forman un módulo, y varios módulos forman un panel.

En un panel las células están conectadas formando un circuito eléctrico en serie, para conseguir una tensión dada (voltios). Cuando ya hay varios paneles estos se conectan en paralelo para aumentar la intensidad (amperios).

Lo más habitual (y también más barato) es que las células se fabriquen con silicio, aunque también se pueden utilizar otros materiales como por ejemplo el arseniuro de galio, con el que se consiguen eficiencias superiores.

Una célula fotovoltaica debe su funcionamiento al efecto fotoeléctrico que se da en materiales semiconductores: cuando la luz incide sobre ese material, los fotones de esta al impactar contra los átomos del material provocan que se emitan electrones, que recogidos en un circuito a través del cual fluyen, hacen que surja la corriente eléctrica. Es decir: con la luz del sol se consigue generar electricidad.

Estas células solares están recubiertas por delante y por detrás con un material transparente que las encapsula. Normalmente suele ser un polímero termoplástico denominado etilvinilacetato (o EVA).

Para proteger mejor las células, la cara superior a su vez se recubre con vidrio templado transparente y resistente, y la inferior o bien con vidrio, si se quiere un panel parcialmente transparente, por ejemplo en un automóvil, o bien con una capa plástica opaca, tipo PVF o similar, para paneles convencionales.

Célula fotovoltaica de silicio monocristalino

Dentro de las células fotovoltaicas de silicio se distinguen varios tipos según sean de silicio amorfo o de silicio cristalino:

• Células de silicio amorfo: el silicio no solidifica lentamente formando cristales, sino más rápidamente formando una estructura vítrea (de color gris muy oscuro). Este tipo es el más barato de fabricar, y pesa menos, pero da una menor eficiencia de conversión (del orden de entre un 6 y 10 %). Estas células tienen cierta flexibilidad, soportan bien las altas temperaturas y funcionan bien en situaciones de luz difusa, días nublados, sombras y mala orientación hacia el sol.

• Células de silicio monocristalino: el silicio solidifica muy lentamente formando cristales muy grandes, de hecho cada célula es en verdad un solo cristal recortado (de color azul homogéneo). Son más caras de fabricar, pero se obtiene una eficiencia de conversión más alta (típicamente entre un 15 y un 22 %). Son células rígidas, no soportan tan bien las altas temperaturas como las anteriores, y el circuito puede dañarse si el panel se queda parcialmente en sombra, por lo que hay que cuidar la orientación hacia el sol.

• Células de silicio policristalino: el silicio se solidifica formando cristales, pero mucho más pequeños, así que en una célula se aprecian múltiples cristales. Su color es gris azulado con destellos brillantes metálicos, no homogéneo. Son más baratas de producir que las de silicio monocristalino, pero su eficiencia de conversión es menor (entre un 12 y un 16 % aproximadamente). Son también células rígidas. Soportan peor las altas temperaturas, así que su rendimiento empeora, y también lo hace si hay poca luz.

¿Todo esto en qué se traduce? Pues en que de los tipos de células fotovoltaicas comerciales de hoy en día, las de mayor eficiencia, las de silicio monocristalino, vienen a tener una capacidad de generar unos 150 Wp por cada metro cuadrado (en condiciones ideales, pues con peor orientación o menos sol, generan algo menos, como es lógico).

Hay que tener en cuenta que además de las células solares comerciales más habituales y asequibles, se está trabajando en nuevas células con mayor eficiencia de conversión de la luz en electricidad, que podrían ir llegando en los próximos años.

Con soluciones tipo tándem, es decir apilando varias capas una encima de otra, por ejemplo una capa de silicio monocristalino y otra encima de silicio amorfo, se consigue una eficiencia del 26 %, y con arseniuro de galio se llega al 30 %. A nivel experimental se están logrando eficiencias de hasta el 46 %, con soluciones muy prometedoras para el medio o largo plazo.

Conseguir energía sin encender el motor

El Toyota Prius de tercera generación (coche híbrido eléctrico, HEV), podía equipar un techo solar con una parte provista de células fotovoltaicas, aunque no servían para recargar la batería de tracción

Como hemos explicado anteriormente, en los coches con motor de combustión interna, o incluso en un coche híbrido donde este sigue siendo el más importante, los techos solares fotovoltaicos solo servían para recargar la batería de servicio de 12 V y liberar de cierta carga de trabajo al motor térmico (al tener que arrastrar menos tiempo el alternador), o bien para poder utilizar ciertos equipos eléctricos con el motor parado.

Así por ejemplo podemos recordar el Toyota Prius de tercera generación, de 2009 a 2015, uno de los coches híbridos (gasolina y eléctrico) más famosos del mundo. De manera opcional se podía pedir un techo solar panorámico de vidrio, dividido en dos partes: la parte delantera era transparente y practicable, mientras que la parte trasera era opaca e integraba células solares fotovoltaicas.

La electricidad que generaban no se destinaba a recargar la batería de la parte eléctrica del sistema de tracción: se utilizaba para hacer funcionar el ventilador del habitáculo y refrescarlo cuando el coche estaba aparcado.

Hay que tener presente que con aquellas células fotovoltaicas se podían generar como mucho 56 W de potencia. Para que nos hagamos una idea: un ventilador doméstico de sobremesa de 30 cm de diámetro viene a consumir unos 35 W, y un ordenador portátil alrededor de 90 W.

Es justo recordar que por aquella época no solo era cosa de Toyota esto de los techos fotovoltacios, otros fabricantes también ofrecían una solución similar en algunos de sus modelos: como Audi, Seat o Lancia, entre otros.

En los coches enchufables pueden ayudar con la autonomía eléctrica

Techo solar fotovoltaico en el Karma Revero (híbrido enchufable)

Con la llegada de los coches híbridos enchufables y los coches eléctricos, el motor eléctrico cobra mayor protagonismo que en un híbrido convencional, y se ha retomado la idea de los techos solares fotovoltaicos. En la mente está que generar energía eléctrica a bordo a partir del sol podría suponer una ventaja mayor, ya que el motor eléctrico por sí mismo ya es muy eficiente (mucho más que un motor de combustión interna).

Uno de los primeros ejemplos que cabe recordar fue el Fisker Karma. Era un coche híbrido enchufable de altas prestaciones de 2011 (que inicialmente se anunciaba como eléctrico de rango extendido), que aunque presentaba un techo solar fotovoltaico bastante espectacular, su funcionalidad se limitaba más o menos a lo ya visto anteriormente: alimentar la batería de servicio de 12 V y con esta el sistema de climatización del coche.

Esto no era lo ideal, pero sí permitía ganar algunos pocos kilómetros de autonomía eléctrica, para que los entre 50 y 80 km aproximadamente de autonomía que tenía, no se quedaran tan cortos.

Fisker quebró, pero después de varios años resurgió rebautizada como Karma, rescatada por la corporación china Wanxiang. Aquel modelo Fisker Karma, pasó a llamarse Karma Revero en 2016, siendo prácticamente el mismo coche, con leves retoques, corrección de errores y ligeras mejoras.

Entre otras cosas el techo solar fotovoltaico ya no solo alimenta la batería de 12 V, sino que también puede recargar la batería de propulsión. El fabricante dice que se pueden conseguir entre 500 y 1.000 millas al año de autonomía eléctrica gracias al techo solar fotovoltaico (entre 805 y 1.609 km).

A veces se necesita una ayuda externa: una pérgola concentradora

En Enero de 2014 Ford presentó un prototipo de Ford C-MAX con techo fotovoltaico: el Ford C-MAX Solar Energi Concept, monovolumen compacto híbrido enchufable.

Este proyecto no iba solo de instalar células fotovoltaicas en el techo del coche. A pesar de que la superficie de este se intentaba aprovechar al máximo y cubrir casi por completo con células solares, Ford tenía claro que no se podía generar toda la energía eléctrica necesaria.

Así que el coche se complementaba con una pérgola de aparcamiento especial, en cuya cubierta se incluían unas lentes de Fresnel que servían como concentradoras de la radiación solar hacia las células fotovoltaicas del techo del coche, maximizando la cantidad de luz solar, y por tanto consiguiendo generar la mayor cantidad posible de energía.

Como a lo largo del día la orientación del sol va cambiando, para lograr el mayor rendimiento posible en todo momento, la pérgola se desliza longitudinalmente con respecto al coche (hacia detrás), de manera automática, para que los rayos de sol concentrados incidan siempre sobre las células solares.

Gracias a estas dos soluciones se intensifica la incidencia de la radiación solar sobre las células fotovoltaicas ocho veces lo que sería normal. Según los cálculos de Ford, con un día al sol se pueden recargar los 8 kWh de la batería del coche, que da para las 21 millas de autonomía en modo exclusivamente eléctrico homologada en ciclo EPA (son 34 km en conversión directa, que vendrían a ser alrededor de 43 km en el obsoleto ciclo NEDC).

El inconveniente: el precio

Techo fotovoltaico en un Toyota Prius de cuarta generación, versión 'híbrido enchufable' (PHEV)

Toyota ha vuelto a la carga con los techos solares fotovoltaicos con la cuarta generación del Prius: la versión híbrido enchufable, con unos 50 km de autonomía en modo exclusivamente eléctrico, puede montar un techo solar fotovoltaico desarrollado por Panasonic.

Esta vez ya no solo sirve para que funcione el ventilador del habitáculo, sino que ayuda a recargar la batería de tracción del coche, pero solo cuando está parado, y ganar así algunos kilómetros de autonomía. Cuando el coche está en marcha recarga la batería de servicio de 12 V (lo cual contribuye a mejorar la eficiencia del sistema híbrido entre un 2 y un 3 %).

El techo incluye 56 células solares fotovoltacias de silicio monocristalino con una potencia de hasta 180 W. Sin duda es una mejora importante con respecto al techo solar fotovoltaico del Prius anterior que vimos antes, que tan solo era capaz de generar 56 W. Sin embargo 180 W siguen siendo muy muy pocos para un coche. Si lo pasamos a kW nos daremos cuenta muy rápido: son 0,18 kW.

La batería de iones de litio del Prius enchufable es de 8,8 kWh. Suponiendo condiciones óptimas de máxima radiación solar y eficiencia, recargar por completo la batería llevaría unas 49 horas. ¿Sabes cuál viene a ser el consumo medio de un coche enchufable en modo eléctrico? Alrededor de unos 15 kWh/100 km; de nuevo se puede ver que con 0,18 kW de potencia de recarga solar poco se puede hacer.

La propia marca reconoce que con este techo solar se pueden realizar unos 1.000 km al año con la electricidad generada con el sol. De media calculan que se pueden conseguir más o menos unos 3 km extra al día. Eso es muy poco. Comparado con la autonomía eléctrica de 50 km, supone tan solo un 6 %.

Toyota también indica que con suerte, en condiciones óptimas de mucho sol, y dejando el coche en el exterior todo lo posible, se podrían conseguir hasta 5 o 6 km extra al día.

Aunque no hay que despreciar esa posibilidad de realizar unos 1.000 km al año gracias a la energía del sol, sin recurrir a sistemas de generación que produzcan emisiones, vemos que el incremento de autonomía diario que otorga no va a solucionar grandes problemas. Pero además no podemos obviar la viabilidad económica del producto.

Este es el techo solar fotovoltaico fabricado por Panasonic para Toyota. La compañía japonesa de electrónica ofrece como proveedor esta tecnología a cualquier otro fabricante que lo desee.

A la espera de conocer el precio definitivo (en España todavía no se sabe nada), se rumorea que será una opción que costaría cerca de 3.000 euros. ¿Sabes cuánto cuesta recargar el coche en una toma de corriente para realizar 1.000 km?

Con la tarifa eléctrica supervalle, para recargar por la noche cuando la electricidad es más barata, y el coche no se usa, cada kWh cuesta con impuestos incluidos 0,076 euros. Es decir, recargar para hacer 1.000 km viene a costar unos 11,4 euros.

Si hacemos una cuentas rápidas, sin capitalización, por ejemplo para un supuesto de 200.000 km que realice el coche a lo largo de su vida, estaríamos hablando de 2.280 euros de coste total de la electricidad. Si además contratas una compañía comercializadora de energía eléctrica verde, las recargas del coche serán con energía renovable igualmente. La viabilidad económica pende de un hilo, y dependerá del precio final del techo solar fotovoltaico.

Audi ha anunciado recientemente que quiere retomar la tecnología de techos solares fotovoltaicos. Lo hará en colaboración con Alta Devices, una compañía de California (EEUU), que realmente es una subsidiaria de Hanergy, de China. Hanergy es una de las empresas que está liderando a nivel mundial la comercialización de células solares fotovoltaicas de película fina.

Las que Audi (grupo Volkswagen) quiere emplear consiguen una eficiencia en la conversión del 25 %, algo superior a la del silicio monocristalino.

En un primer momento se lanzará un techo solar panorámico fotovoltaico que generará electricidad para recargar la batería de servicio y alimentar el aire acondicionado o los asientos calefactables. Un poco más adelante esperan cubrir todo el techo del coche y entonces ayudar a recargar la batería del sistema de tracción en coches enchufables. Salvo por la ligera mejora en la eficiencia de las celdas, nada nuevo bajo el sol.

Coches solares, haberlos, haylos

Hoy por hoy olvídate de tener un coche de este estilo (una berlina de tamaño medio) que pueda moverse exclusivamente con energía solar

Llegados a este punto, y después de ver todos estos ejemplos diferentes, ¿acaso no se puede tener un coche solar que pueda moverse exclusiva y enteramente con la energía solar, sin tener que enchufarlo, ni consumir ningún combustible?

Pues lamentablemente, con la actual tecnología fotovoltaica, es harto complicado. Tengamos en cuenta que los coches eléctricos de tipo medio de los que se comercializan hoy en día, los más eficientes vienen a tener un consumo medio homologado, en el obsoleto ciclo europeo NEDC, de unos 11 a 13 kWh/100 km, aunque en la realidad el consumo medio viene a ser de unos 15 kWh/100 km, y si se conduce a 120 o 130 km/h por autopista es fácil que ascienda a 18 o 20 kWh/100 km.

Es decir, si pensamos en movernos por autopista a 120 km/h, eso significa que el coche debería contar con células solares fotovoltaicas capaces de generar en una hora unos 21,6 kWh de energía, es decir, que deberían generar una potencia de 21.600 W. Como hemos visto, el techo solar fotovoltaico de un Toyota Prius enchufable genera (en condiciones óptimas, como máximo) 180 W cada hora. ¿Se nota la enorme diferencia que tenemos que salvar?

Esto es un coche eléctrico que se mueve exclusivamente con energía solar fotovoltaica ¿cómo lo ves?

A día de hoy para tener un coche solar, es decir, un coche eléctrico alimentado solo con energía fotovoltaica, hay que recurrir a diseños muy especiales, extremadamente aerodinámicos y maximizando la superficie horizontal del coche, y a la vez hay que recurrir a una construcción superligera, y prescindir de casi cualquier equipamiento más allá de lo exclusivamente fundamental que aumente el peso.

De todos modos la batalla no se da por perdida. Además de que en el futuro irán llegando células solares fotovoltaicas con aproximadamente el doble de eficiencia de conversión que las actuales, y que por tanto podrían doblar la potencia de generación con la misma superficie de células, también se intentan colocar células fotovoltaicas en la mayor cantidad posible de superficie de coche, sin llegar a los extremos de los coches solares de competición tecnológica (como el de la foto superior).

Aquí es cuando debemos citar el ejemplo del Sono Sion. Sono motors no es un fabricante de coches tal cual, es una startup que comenzó a andar a finales de 2012 en Múnich. En 2016 después de una campaña de microfinanciación, consiguieron el dinero suficiente para construir un par de prototipos, que finalmente se presentaron en mayo de 2017. En Sono motors ahora mismo están esperando a alcanzar 5.000 reservas del coche para poder pasar a la etapa de producción.

Sono Sion, lo más parecido a un coche solar que podemos tener hoy en día (y en el que quepan 5 personas y los bártulos)

El Sono Sion es un subcompacto eléctrico de cinco puertas, cinco plazas, 4,10 m de largo y 109 CV (80 kW) de potencia. Tiene 330 células solares fotovoltaicas de silicio monocristalino embebidas en policarbonato transparente, repartidas por casi toda la carrocería. Según Sono motors tienen una eficiencia de conversión del 24 %, y en total tienen una potencia (pico) de generación de 1.208 W.

Sus cálculos consideran que en condiciones ideales, se podría generar cada día electricidad suficiente para recargar el equivalente a unos 40 km de autonomía, aunque en condiciones realistas creen que lo normal serán unos 30 km diarios.

Aunque es poca autonomía, y más allá de otras apreciaciones, para cuando no hay ningún enchufe a mano (en mitad del campo, por ejemplo), y cuando se tiene mucho tiempo para recargar aparcado al sol, no es mala idea.

Es un coche con un interior muy austero, y sin demasiados lujos, aunque equipa aire acondicionado. Pesa entre 1.400 y 1.600 kg. Tiene una autonomía "real" de unos 250 km, gracias a una batería de entre 35 y 45 kWh de capacidad. Las especificaciones no son todavía definitivas, de ahí las horquillas.

Aquí vemos los paneles de células solares fotovoltaicas embebidas en policarbonato, que se adhieren a los paneles de la carrocería del coche

Anuncian que lo venderán por unos 16.000 euros (suponemos que impuestos aparte, pues hablan de un precio único para toda Europa), y sin incluir la batería. La batería se podrá alquilar, o incluso comprar, pero aún no saben qué precio exacto tendrá, pues son conscientes de que la tecnología está evolucionando y los precios bajando. Estiman un precio de unos 4.000 euros.

Es decir, que se podría suponer un precio de unos 20.000 euros, y añadiendo el 21 % de IVA, podrían ser unos 24.200 euros en total. Esperan poder entregar las primeras 5.000 unidades, de los que se animen a reservar ahora, en 2019.

En esta misma línea, pero para un futuro no sabemos cuánto cercano o lejano, Hanergy, la misma compañía que antes habíamos citado por colaborar con Audi, propone varios diseños de coches eléctricos solares que pueden conseguir hasta 80 km de autonomía gracias al sol (después de tomar el sol unas 6 horas). Son solo prototipos.

Ahora mismo, mientras las células fotovoltaicas de mayor eficiencia de conversión no lleguen a nivel industrial y comercial, esto es todo lo que podemos conseguir: como mucho una pequeña ayuda para recuperar algo de autonomía, tras muchas horas al sol, y a un precio que no está claro si compensa. Habrá que seguir esperando (pero no perder la esperanza).

Fotografía | Warden (Wikimedia CC), Ersol (Wikimedia CC), Hideki Kimura y Kohei Sagawa (Wikimedia CC)
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