Los fabricantes del mercado de equipos de construcción de 200.000 millones de dólares 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 para 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 móviles todoterreno, las necesidades máximas de potencia del motor varían mucho en función de la aplicación y el tamaño de la máquina. 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 sólo 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.
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, cuyo 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 están estudiando 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 y el coste de la instalación de la infraestructura de carga en los lugares de trabajo.
La estrategia de carga de las máquinas más grandes será clave
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. 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 8 horas. Con los precios actuales de los paquetes de baterías de iones de litio para vehículos pesados, del orden de más de 600 dólares por kWh, estas enormes baterías tienen un coste que dificulta enormemente la viabilidad del coste total de propiedad.
La estrategia de carga de las máquinas más grandes será clave para reducir la necesidad de capacidad de las baterías instaladas. Se están explorando 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, mientras que la empresa holandesa de ingeniería de tecnologías limpias Urban Mobility Systems ha desarrollado 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.
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, pero siguen empleando un sistema hidráulico estándar, cuya eficiencia puede ser de hasta un 30%. Para hacer frente a esto, empresas como Danfoss están desarrollando una tecnología hidráulica digital que mejora la eficiencia del tren de potencia, reduciendo el consumo de energía, con el resultado de que se puede utilizar una batería más pequeña para ofrecer los mismos días de trabajo.
La innovación es necesaria para lograr la electrificación
El objetivo final de las máquinas de construcción eléctricas son los sistemas totalmente eléctricos, que sustituyen por completo a la hidráulica y utilizan en su lugar actuadores y motores de accionamiento eléctricos. Doosan Bobcat lanzó una cargadora de orugas totalmente eléctrica, la T7X, en el CES 2022. Desarrollada con Viridi Parente y Moog, la mejora de la eficiencia del sistema totalmente eléctrico permite el uso de una batería de 62 kWh cuando, 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. En la próxima década habrá que seguir trabajando en el desarrollo de sistemas totalmente eléctricos para que se generalice su uso. 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 de construcción tendrá un valor de más de 100.000 millones de dólares al año en 2042.
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