30, May, 2024

Entrevista con Jacques Laeuffer

Por Luis Miguel Ibarra Moyers

Jacques Laeuffer Profesor Afiliado en ENSTA Paris (Instituto Politécnico de París)

Tiene 40 años de experiencia en I+D en el área de electrónica de potencia en empresas internacionales.

Sus intereses de investigación son convertidores de retroceso (flyback), fuentes conmutadas, convertidores resonantes de alta frecuencia (80 kW), transformadores de alto voltaje (150 kV), implementación y filtros EMC, máquinas eléctricas y automóviles híbridos.

Es consultor de proyectos, incluyendo topologías, diseño, propiedad industrial, revisiones de esquemas e implementaciones, puesta en marcha de prototipos, operación, puesta a punto y soporte en campo. Inventor de 27 patentes y autor de 80 publicaciones científicas.


Acreditado para dirigir la investigación por la Universidad de la Sorbona, es Profesor Afiliado en ENSTA Paris (Instituto Politécnico de París), imparte también cursos en Centrale Supelec (Universidad de París-Orsay), Tutoriales en PCIM (Nuremberg), para educación continua, y sobre “Experiencia e Innovación”.

Luis Ibarra: Profesor Laeuffer, la electrificación de los medios de transporte parece inminente. ¿Cuál cree usted que sea la principal razón para abandonar una tecnología madura como los motores de combustión interna?

Laeuffer: Primero hay que entender lo que significa “electrificación”. Por ejemplo, hace algunos años, se hablaba de “avión eléctrico”, pero después de “avión más eléctrico (1)”, que no es lo mismo; mucho más razonable. Por otro lado, los ferrocarriles fueron electrificados desde más de cien años.
Hoy en occidente se habla de “coche eléctrico” mientras en Japón hablan de “coche híbrido”; y no solo hablan, sino que lo llevan a cabo. Así, Toyota es uno de los cuatro primeros constructores de automóviles en el mundo, y la gran mayoría de los coches que vende en países desarrollados son híbridos: millones cada año. Con estos coches, la electrificación no es una alternativa a la combustión interna sino lo contrario: un complemento para optimizar, reducir el consumo y hacer muy limpia la combustión interna; mejorar su madurez.

¿Por qué abandonar la combustión interna? Bien, todavía no es abandonada, pero hay una voluntad afirmada – en occidente – en esa dirección como si fuera definitiva. Hace algunos años, parecía obligatorio decir que el único futuro del automóvil era la celda de combustible… incluso, GM invirtió miles de millones en esta tecnología.

Recuerdo un profesor de universidad en derecho diciendo. “¡Puaj, he visto a un camión haciendo un humo negro de dióxido de carbono!” – Pero el dióxido de carbono es un gas incoloro… Más serio: los japoneses desarrollaron el coche hibrido, primero, para reducir el mal olor en ciudades, y el dióxido de carbono es un gas sin ningún olor… Entonces, el dióxido de carbono no era el motivo principal para impulsar la electrificación en ciudades.

¿Por qué abandonar la combustión interna? Dice un reporte de cinco mil páginas: “en contra del cambio climático”. Pero nadie lee cinco mil páginas; quizás se recopiló mucha información, pero difícilmente iba a ser accesible a la gente.

Luis Ibarra: Algunos detractores de la electrificación argumentan que los vehículos eléctricos podrían ser, incluso, más contaminantes que los tradicionales. ¿Es cierto?

madura como los motores de combustión interna?

Laeuffer: ¿Qué es un “vehículo eléctrico”?

> Los coches híbridos incluyen un motor de combustión interna y al menos un motor eléctrico dedicados a la tracción del vehículo, haciéndolos vehículos electro-combustibles.

> Otros vehículos incluyen un motor eléctrico, y ningún motor de combustión interna. En ese caso, la fuente de energía no puede ser gasolina o gasóleo. Hoy la fuente de energía es una batería electroquímica. Así pues, son coches electroquímicos.

“Electricidad” en el sentido común es la propagación de una energía electromagnética sobre una línea eléctrica. Se trata de una propagación de energía, y no de una fuente de energía. Y lo más difícil desde un punto de vista ecológico es la fuente de energía a bordo del vehículo. Por ejemplo, los fenómenos electroquímicos tienen una influencia negativa sobre los organismos vivos, si están en contacto, y es la razón por la que deben reciclarse cuidosamente las baterías de las computadoras y teléfonos. Pero en un coche “eléctrico”, ¡hay mil veces más baterías que en una computadora portátil!

También hay que producir la electricidad requerida para muchísimos vehículos, y eso siempre implica inconvenientes ecológicos, y perdidas sucesivas muy significativas. Por ejemplo, si esa electricidad es producida con hidrocarburos, más vale poner el hidrocarburo directamente en el coche.

                                           

Luis Ibarra: Similar al punto anterior, otros indican que la electrificación del transporte implicaría altísimos costos, no sólo para el comprador, sino para el proveedor de electricidad. ¿Qué quieren decir con esto?

Laeuffer: Como en el punto anterior, eso depende de qué electrificación se trata.

El coche híbrido añade al coche convencional varios elementos que cuestan dinero.

> Dos máquinas eléctricas, una para convertir parte de la energía mecánica proveniente del motor de combustión interna en energía eléctrica y la otra para convertir esa energía eléctrica de nuevo en energía mecánica, pero esta vez, a una velocidad apropiada para las ruedas del vehículo. Eso permite eliminar la caja de cambios y el embrague, logrando una transmisión de continuidad impresionante. Nota que esas máquinas eléctricas son mucho más pequeñas que el motor de combustión.

> Como la velocidad mecánica de los dos motores eléctricos no es la misma, las corrientes del lado eléctrico no están a la misma frecuencia, y la corriente alterna de la primera debe ser transformada en corriente continua por un convertidor, después, otro convertidor transforma esa corriente continua en corriente alterna adaptada a la segunda máquina. Esos convertidores son dispositivos electrónicos de potencia (2) , incluyendo grandes transistores para conmutar grandes corrientes.

> Cuando la velocidad del coche esta baja o nula, el motor de combustión interna no tiene buen rendimiento y es detenido. En ese caso, sólo el motor eléctrico se utiliza y su energía proviene de una batería electroquímica razonablemente pequeña de unos cuarenta kilogramos. También, cuando el vehículo desacelere, en vez de disipar su energía cinética en los frenos, la maquina eléctrica funciona como generador y carga la batería.

Al final, esos coches híbridos llegan a un precio comparable a las ultimas motorizaciones puramente mecánicas que utilizan inyección directa en el motor de combustión, filtros adicionales y quizás caja de cambios automática.

Por su parte, el coche “puramente eléctrico” necesita una grande y pesada batería electroquímica de unos quinientos kilogramos, y el coste de esa batería está en el mismo nivel que el resto del vehículo. Pero hay impresionantes mejoras en ese campo.

Además, esa batería electroquímica debe ser cargada de nuevo, por supuesto, en una toma de corriente, y llega la cuestión de la comparación del precio de energía eléctrica con gasolina o gasóleo, complicada por aspectos fiscales.

En la mayoría de los países, el 90% del precio de gasolina o gasóleo para coches son recaudaciones que hacen los países productores y consumidores, mientras que la electricidad no supone ese gravamen y es más barata. Pero, cuando exactamente el mismo gasóleo es utilizado para la calefacción de una casa, hay menos recaudación fiscal, ¡y el gasóleo es más barato que la electricidad! Al final, económicamente, la electricidad es mucho más cara que la gasolina o el gasóleo.

Además, la generalización de coches “puramente eléctricos” supondría aproximadamente doblar la producción de electricidad, ampliar la infraestructura eléctrica, e implementar cargadores por todas partes.

Luis Ibarra: Las alternativas eléctricas tienen un precio final superior a sus pares tradicionales de la misma gama. ¿Es en verdad conveniente, económicamente, comprar un vehículo eléctrico?

Laeuffer: Ya hemos examinado varios aspectos económicos. Para afinar, también hay que tener en cuenta el precio ecológico, que es mucho más difícil de evaluar. Y para hacer comparaciones, el punto de partida es fundamental, y aquí hay varios tipos de motores de combustión que son muy diferentes entre sí desde el punto de vista ecológico:

>En el muy tradicional motor de combustión “indirecta”, la gasolina es inyectada durante la fase de admisión de aire en los cilindros, y la mezcla tiene tiempo para hacerse bien antes de la combustión, que no produce partículas, que no tienen que ser filtradas. Además, la válvula de mariposa del motor regula la entrada de aire para no tener óxido de nitrógeno después del catalizador, lo que también simplifica el proceso. Todo eso llega al precio más barato, pero no al mejor para la ecología porque la válvula de mariposa introduce el aire en el cilindro a baja presión, lo que produce un efecto de bombeo que consume energía, incrementa consumo y dióxido de carbono.

>Para evitarlo, desarrollaron el motor de inyección “directa”: no mariposa; el aire está en exceso en el cilindro, pero el combustible se quema directamente al inyectarse, mientras aún está localmente suficientemente concentrado. Pero la mezcla parcial deja partículas sin quemar que tienen que ser filtradas como ya se ha dicho. Además, el exceso de aire satura el catalizador convencional, que ya no reduce los óxidos de nitrógeno y es preciso añadir otro filtro. Además, los inyectores de alta presión son caros. La versión con gasóleo es mejor para el medio ambiente que la solución anterior. En la versión de gasolina, las numerosas partículas muy finas se filtran peor. En ambos casos quedan reducidos el consumo de combustible y las emisiones de dióxido de carbono.

>Otra forma de evitar la válvula de mariposa y sus pérdidas de bombeo es regular la cantidad de aire admitido, abriendo y cerrando las válvulas del cilindro en momentos adaptados del ciclo (en inglés Variable Valve Timing, VVT). La inyección de combustible es indirecta, y la reducción del consumo se obtiene sin los costes de los inyectores de alta presión y los filtros de la inyección directa.

Del lado “eléctrico”,

>La gran mayoría de los coches híbridos utilizan motores de válvulas variables, y el coste extra de su electrificación es aproximadamente equivalente al coste extra de los motores de inyección directa, para un resultado ecológico ligeramente mejor.

>El coche electroquímico tiene un precio directo muy alto, y también un precio ecológico alto, debido a la explotación intensa del litio y al necesario reciclaje de las baterías.

Luis Ibarra: En términos de salud pública, el tránsito y el excesivo uso de vehículos en grandes ciudades es responsable por casi el 70% de emisiones de gases de efecto invernadero en éstas. ¿Es la electrificación una solución viable a este problema?

Laeuffer: Las emisiones de dióxido de carbono no son problemas específicos de las grandes ciudades.

>El dióxido de carbono es, como ya he dicho, estable, sin color y sin olor, y pues para nada responsable de la polución de las grandes ciudades ni de los problemas de salud pública específicos de estas.

>En países del norte o del sur, la calefacción de las habitaciones y oficinas produce el mismo nivel de dióxido de carbono que el tránsito. (Y eso podría electrificarse con bombas de calor sin el problema de las baterías.)

>En países de clima cálido y húmedo, el aire acondicionado de edificios consume más energía que la calefacción cuando hay temperaturas bajas.

>Más dióxido de carbono es producido por las gigantescas plantas de industria de transformación, que a menudo no son situadas en las grandes ciudades, y por los aviones, de una ciudad a otra.

>Y la cuestión de efecto invernadero es una cuestión al nivel global del planeta, no de las ciudades. Y para eso, los coches híbridos cortan en 60% las emisiones de dióxido de carbono, porque su transmisión eléctrica permite optimizar el rendimiento de los motores de combustión.

Los contaminantes son tratados de varias formas.

>Las plantas manufactureras de automóviles producen ahora coches que cumplen con drásticas nuevas normas, y la gran mayoría de contaminantes ahora producidos sobre las carreteras y las calles provienen de antiguos coches. Buena noticia: esos últimos coches desparecerán con el tiempo. 

>Los coches híbridos casi suprimen óxidos de nitrógeno y partículas, sin introducir los problemas nuevos relacionados a los coches “puramente eléctricos”.

>Hay mucho que hacer en otros campos. Por ejemplo, las motocicletas, con frecuencia, no tienen normas del mismo nivel.

>También las llantas de los coches, o el calzado con suela de goma producen partículas.

>Por último, pero no menos importante, el problema de camiones y procesos industriales en países donde no se cumplen las normas, países que son líderes internacionales en procesos productivos.

Así, hay que buscar un equilibrio entre los diferentes esfuerzos que hacer.

       

Luis Ibarra: Tradicional, híbrido y eléctrico. ¿Hay otras ventajas y desventajas?

Laeuffer: ¡Claro que sí! Otro aspecto de salud pública que es la tranquilidad de la gente. Una vieja canción francesa dice de los coches: “¡apesta, contamina y te pone nervioso!” Pero cuando uno maneja por primera vez un vehículo eléctrico, o incluso híbrido, dice: ¡que silencio! ¿Por qué?

Un motor de combustión hace ruido, con la repetición de las combustiones brutales a frecuencias sensibles para nosotros.

>A alta velocidad del motor, su ruido audible cansa; para reducirlo, los constructores añaden una insonorización pesada de centenares de kilogramos. También las vibraciones mecánicas cansan; los asientos de los pasajeros están especialmente diseñados para amortiguarlas. Pero con el coche hibrido, la velocidad del motor de combustión es muy reducida, porque la transmisión eléctrica es continua, sin cambios en una caja, opera en todo momento sin limitar la potencia cuando de repente es requerida, y sin bajar la velocidad del motor a un nivel insuficiente en otros momentos, cuando, por ejemplo, el vehículo desacelere.

>La baja velocidad del motor de combustión también es un problema, porque produce vibraciones mecánicas en todo el coche, transmitidas a los pasajeros, por ejemplo, a la velocidad de ralentí del motor, cuando el vehículo para, y el motor sigue corriendo[3]. Pero el ralentí no ocurre en coches híbridos.

>Es más, con un coche hibrido, en las ciudades, durante el 75% del tiempo, la potencia requerida por las ruedas es baja; la pequeña batería del híbrido la proporciona y el motor de combustión está parado: ningún ruido y ninguna vibración. Durante el otro 25% del tiempo, el motor de combustión carga de nuevo la batería.

Y claro que, cuando no hay motor de combustión en el coche, los motores eléctricos y los convertidores no hacen ningún ruido ni vibración, pero con las desventajas de la gran batería.

Otro aspecto ligado al anterior es el rendimiento dinámico: aceleración.

Un buen día estaba en el pequeño coche hibrido de un amigo, en una carretera de cuatro filas limitada a los ciento diez kilómetros por hora. Me decía: “tengo las mismas sensaciones que en el gran coche con muy potente motor de mi padre”. De hecho, las aceleraciones eran suaves, pero súbitas y profundas, hasta tal punto que los otros coches parecían no tener dinámica, lo que facilita mucho pasar delante de todo el mundo (los choferes de taxi lo aprecian mucho). Añadía que el consumo de combustible era muy razonable en esos casos.

De hecho, la transmisión eléctrica continua controla todo rápidamente, y la batería proporciona durante un segundo la energía necesaria para comenzar la aceleración, y al mismo tiempo, proporciona energía para acelerar al motor de combustión hasta su velocidad máxima. Un segundo después, este último proporciona su potencia máxima para toda la aceleración del vehículo.

De su parte, una motorización solamente térmica pero muy potente, asociada con una caja de cambios automática, hace casi lo mismo, pero con la desventaja del consumo alto – en toda situación – de la motorización alta, y de su precio.

Con una motorización solamente térmica más modesta, incluso asociada con una caja de cambios automática, el motor debe primero dedicar toda su potencia a acelerarse a sí mismo, desconectándose de la transmisión, para luego conectarse de nuevo, provocando saltos en la aceleración del coche, y esos cambios son muy inconfortables para los pasajeros.

Y la historia de la tecnología no se acaba aquí. Por ejemplo, investigaciones continúan sobre otras técnicas de almacenamiento de energía a bordo para unos treinta segundos, como volantes de inercia pequeños, súpercapacitores híbridos de litio, etc.

Luis Ibarra: ¿Tiene algún consejo para el público en general y para los estudiantes de ingeniería al respecto de la electrificación del transporte?

Laeuffer: Una vez, tenía la oportunidad de hablar con el director japones de investigación y desarrollo de una gran compañía internacional en el ámbito del automóvil, líder mundial en su sector. Era un ingeniero en mecánica e hidráulica, pero sabía todo también sobre motores eléctricos, un poco menos sobre electrónica de potencia, pero estaba muy interesado en lo que podía decirle sobre este último tema, y me preguntaba mucho. De hecho, era un actor mayor en el desarrollo de coches híbridos.

Pues tengo dos consejos para estudiantes de ingeniería:

>Primero, adquieres durante la carrera universitaria una cultura científica y técnica muy amplia, que eso es perfectamente posible, y que se ampliará a lo largo de la vida profesional si uno tiene las bases y ganas de hacerlo. Cuando era estudiante, no rechacé algunos cursos diciendo “no es la especialidad que he elegido”.

>Segundo, en los últimos años de la carrera, elige – claro – una especialidad concreta, al menos para comenzar el trabajo profesional, para enfrentarse humildemente con la materia, tener experiencia de eso con todas sus limitaciones, también para después entender a los otros cuando experimenten esas limitaciones. Supera los prejuicios en contra de un trabajo de laboratorio o de fabricación, que es muy formador. Serás apreciado, porque preguntarán al que sabe porque ha visto. (Y si alguien te mira mal por esto, recuérdale que los médicos más reconocidos son los cirujanos, trabajadores manuales.) De hecho, valorar experimentación es de importancia primordial en el campo de la investigación: cuando calculan todo, es desarrollo – que está muy bien – pero no investigación, y no llega a mucha innovación en los productos materiales.  

Al final, adquieres la experiencia personal con el segundo punto, y combinado con el primer punto de la cultura, puedes entender a ingenieros de otras especialidades para construir todos juntos proyectos muy interdisciplinarios, como coches o muchos otros, optimizando el conjunto y todos los aspectos. No serás un simple “gestor” que pretende dirigir a los otros sin saber nada de lo que hacen, conservando su posición a través de su poder para dañar a otros, quizá con dinero, pero no amado…

Y para el público en general, ten cuidado cuando el locutor del noticiario dice: “los científicos dicen que…” A menudo, los ingenieros expertos no nos reconocemos en lo que dicen a continuación. Porque hay modas que ven un solo aspecto del problema, escondiendo otros, y algunos años después dicen lo contrario. Por ejemplo, durante años dijeron que el motor diésel era la solución ecológica, y después “descubrieron” lo que todos los ingenieros del campo sabían desde luego, pero sin derecho a decir nada públicamente: que esos motores producían gran cantidad de partículas y óxidos de nitrógeno, y solamente muy tarde llegaron los presupuestos y comenzaron las investigaciones para limpiarlos con filtros, que fue un éxito.

Luis Ibarra: Profesor, ¿quisiera agregar algo más?

Laeuffer: Primero, quiero agradecer al profesor Luis Ibarra por sus preguntas y sugerencias, así como sus correcciones de idioma.

No hay solución universal o perfecta, porque jamás lo sabemos todo, y jamás podemos hacer todo lo que querríamos. Diferentes soluciones tienen impactos de cualidades diferentes, pues no pueden reducirse a comparaciones cuantitativas, aunque estas ayudan, pero no dicen todo.

De todas partes hay limitaciones, y no cabe ponerse en contra, sino buscar equilibrios. Los ingenieros lo sabemos muy bien, porque eso es nuestra vida cotidiana… pues tenemos que explicarlo más a los otros. Trabajamos para superar esas limitaciones, pero cada vez para enfrentarnos después en contra de otra más allá. Y con eso realizamos cosas grandes en el servicio de los demás. Y eso vale para las otras profesiones.

Quizá también hay que ver la vida de otra manera. Si lo que nos hace sentir bien, lo que es valorado entre nosotros, es haber pasado el fin de semana en las pistas de esquí a quinientos kilómetros, y las vacaciones en el otro lado del mundo, quizá hay que volver a gustos y apreciaciones más moderados, como la cultura, el campo, los intercambios tranquilos con los amigos y la familia, la transmisión a los jóvenes, la contemplación, el estudio personal, la reflexión y la experimentación.


[1] Nota de Luis: el concepto “avión eléctrico” implica el uso de electricidad para todos los servicios que ofrece una aeronave, incluyendo la propulsión. En la práctica, no se ha logrado un diseño viable de un avión totalmente eléctrico. El término “avión más eléctrico” surge como una alternativa que implica tomar un avión convencional y electrificarlo tanto como se pueda, progresivamente.

[2] Son circuitos que utilizan componentes electrónicos para adaptar la energía eléctrica disponible a la forma requerida por cierta aplicación, regulándola en función de necesidades cambiantes. Por ejemplo, los cargadores para celulares o laptops, la iluminación LED, juguetes, amplificadores de audio, hornos de microondas, estufas de inducción, imagenología médica, paneles solares, bombas y compresores, drones, radares, aviones, locomotoras de ferrocarriles, robots, procesos industriales, turbinas eólicas, transportación submarina de energía o a gran distancia, etc.)

[3] Nota de Luis: los motores de combustión interna no pueden trabajar adecuadamente por debajo de cierta velocidad, regularmente entre 700 y 1 000 revoluciones por minuto. Esa velocidad mínima es llamada “velocidad de ralentí” (idle speed en inglés).


Más información 

Luis Miguel Ibarra Moyers:  ibarra.luis@tec.mx

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