ERS - Sistema recuperador de energía


En 2011 “regresó” el KERS despues de haberse retirado el mismo año de su debut sin mucha aceptacion entre los pilotos y equipos, sin embargo toda tecnologia prematura tiende a no agradar mucho a los usuarios.

No hace tanto, 2009, nos vendieron el Sistema de Recuperación de Energía Cinética como el santo grial de los adelantamientos. En la temporada 2010, quedó vetado gracias a un “pacto de caballeros” que los equipos de F1 (la FOTA) sellaron a pesar de seguir vigente en la normativa técnica. Independientemente de las opiniones que tengamos sobre el sistema y las limitaciones con las que nació; luego, en 2014, se amplifico el concepto y se ideo el ERS; un nuevo sistema de recuperador de energia que puede ser el doble de eficiente que su predecesor KERS.

El ERS no es más que un sistema que sirve para recuperar energía, que de otra forma se perdería en algunos momentos de la vuelta. La energia que recupera es repartida en dos motores distintos, el MGU K (equivalente al KERS usado del 2009 al 2013) se carga mediante la frenada, ayudando al coche a detenerse y que no se recalienten los propios frenos, mientras que el MGU H que se encuentra conectado al turbocompresor para recuperar la energía térmica de desecho que sale por el escape. Dicha energía se transformará en mecánica para evitar el retraso del turbo o acumulada en una batería en forma de energía eléctrica (con la consiguiente pérdida que conlleva el proceso de transformación). Dicha energia es contenida en una bateria que activa el piloto desde el volante; esto le proporcionara aproximadamente 163 HP al motor y podrá usarse 33.3 segundos en cada vuelta; tras analisar el comportamiento del MGU-H y el MGU-K, nos damos cuenta que el primero funciona basicamente dependiendo de las emisiones del turbo, las cuales mueven un generador que almacena energia en la bateria, por lo que la explicacion de su funcionamiento es muy sencilla; es por ello que a continuacion, me enfocare en la explicacion del funcionamiento de MGU-K y sus distintos tipos.

FUNCIONAMIENTO DEL MGU-K

Durante las frenadas, se trata de reducir dicha velocidad lo suficiente para dar la curva. Para ello se tiene un sistema de frenado que por rozamiento convierte parte de la energía cinética en deformación y desgaste de neumáticos, discos y pastillas, y sobre todo en calor. Además, se pierde energía en trabajo de deformación del sistema de suspensión entre otros.

Por último, existe el llamado freno motor. Cuando empieza la frenada, la línea que va desde las ruedas traseras pasando por diferencial y caja de cambios, llegando hasta el motor, hace que por la inercia o lo que es lo mismo la tendencia a no modificar el régimen de funcionamiento de éste, el vehículo pierda más energía cinética, que se “invierte” en dicho cambio de movimiento, en rendimientos mecánicos, temperatura…

La energía cinética ganada en las aceleraciones, se pierde durante la fase de frenado. Para que no se desperdicie toda esta energía, se plantea un sistema recuperador que almacene parte de dicha energía para usarla en otros momentos para, de nuevo, aumentar la energía cinética del vehículo.

Los sistemas MGU-K que a priori se pueden usar para recuperar energía son los siguientes:

Sistema eléctrico
Sistema mecánico
Sistema hidráulico
Sistema magnético

Una vez enumerados, ahora hablaremos un poco de cada uno de ellos para ver cómo funcionan en cada caso.

Sistema MGU-K eléctrico

 
Aprovechando las capacidades reversibles de las máquinas eléctricas, se dispone un motor generador en la línea de tracción de tal manera que durante las frenadas funciona de generador y cuando “se pulsa el botón”, empuja junto con el motor de combustión.

Al frenar, el motor generador, aplica una restricción al movimiento relacionado con el campo magnético, de tal manera que ésta es vencida por el propio movimiento del vehículo. Esto implica que parte de la energía cinética del vehículo se emplee en vencer esa resistencia magnética citada, lo que induce un movimiento del generador, que hará que dicha energía se convierta en eléctrica. Parte de esta energía se perderá en rozamientos, temperaturas y demás pero una gran parte de la misma terminará almacenada en los acumuladores eléctricos.

Esto implica que además del motor generador, es necesario un paquete de baterías con unas características muy concretas que sirvan para almacenar y suministrar la electricidad en la cantidad y con la velocidad adecuadas. Por tanto, este sistema consta de un motor generador dentro de la línea de tracción del vehículo, un sistema de gestión y como no, un sistema de almacenamiento de energía, en este caso unos acumuladores eléctricos.

Sistema
MGU-K mecánico
 
De igual manera que en el eléctrico, se dispone un sistema en la línea de tracción para almacenar energía pero en este caso, de forma totalmente mecánica. Para ello se dispone un disco o conjunto de discos con una masa concreta, que durante la frenada se hacen girar. Una vez terminada la frenada, estos discos siguen girando almacenando parte de la energía disipada en la frenada como energía cinética de rotación.

Al pulsar el botón de ERS, el sistema de inercia se acopla y el movimiento de los discos se devuelve a la línea de tracción. Intuitivamente, se desprende de la idea que se necesitan discos con peso y velocidad de giro adecuados y altos. El principio de funcionamiento es similar al del volante de inercia de los vehículos comerciales.

Sistema
MGU-K hidráulico
 
En este caso, se usa un sistema hidráulico para almacenar la energía. Durante la frenada un compresor comprime un gas en un recipiente aumentando la presión en él, convirtiendo parte de la energía cinética del monoplaza en trabajo del compresor, y por extensión en variación de presión del depósito o recipiente.

Una vez que termina la frenada, esta energía queda almacenada hasta que se pulsa el botón del ERS y el compresor pasa a funcionar a la inversa, dejando salir gas del depósito. Esa variación de presión, ahora negativa, mueve el compresor añadiendo par a la línea de tracción.

Sistema
MGU-K magnético
En este caso, muy usado en vehículos de muy alto tonelaje, se dispone en los frenos un sistema magnético que frena el vehículo generando electricidad durante el funcionamiento como electroimán. Dadas las dimensiones de las ruedas de un F1, este sistema no es excesivamente viable, sobre todo viendo que el sistema eléctrico es mucho más sencillo y eficiente de implementar en un monoplaza.

Pros, contras. ¿Qué se ha hecho hasta ahora?

De todos los sistemas, hasta ahora ha trascendido que el eléctrico y el mecánico fueron los elegidos. Los otros 2, no han suscitado el interés de los equipos más allá de las decisiones iniciales, donde les habrían desestimado. ¿Será este año igual? Ya lo veremos.

En el caso eléctrico, se trabaja con voltajes muy altos y peligrosos y el cargar los acumuladores tan rápido implica una generación de calor bastante alta. Además, la ubicación de los distintos elementos, implica un problema en el reparto de pesos, aumentado en el año que entra con ese reparto de pesos común.

Un sistema eléctrico, que podría pesar alrededor de 30 kilos, se compone de unos 9 kilos de acumuladores y otros 20 kilos entre el motor/generador eléctrico, cableado, sistemas de gestión/refrigeraciónn y cubiertas de seguridad. Las baterías, supercondensadores o el tipo de acumulador que sea, necesitan tener unas características concretas.

La primera de ellas, el menor peso posible, algo común no solo a los elementos del KERS sino a todo el vehículo. Otra de ellas es que sea capaz de absorber la mayor cantidad de energía posible. Sin entrar en detalles, cada tecnología de baterías se puede describir por la cantidad de energía que puede almacenar y cómo de rápido puede hacer uso de la misma, lo cual se suele representar en los llamados diagramas de Ragone.

La ubicación de cada uno de los elementos es crucial por 2 razones. Primero por el reparto de pesos y segundo para poder refrigerar bien el sistema al generar una alta cantidad de calor.

Es por esto que equipos como McLaren optaron por ubicar los sistemas en los pontones separando los elementos a ambos lados y así equilibrando el centro de gravedad en la dirección transversal.

Otros equipos por el contrario, optaron por usar el morro como ubicación de las baterías sustituyendo parte del lastre habitual que se pone en los monoplazas.