¿Por qué un motor eléctrico es más eficiente que uno de combustión?

¿Qué hace que un motor eléctrico sea más eficiente?

Los motores eléctricos y los motores de combustión convierten energía en movimiento, pero lo hacen mediante procesos completamente diferentes. Esta diferencia explica en gran medida por qué un motor eléctrico puede aprovechar una proporción mucho mayor de la energía disponible.

En un motor de combustión, la gasolina o el diésel se queman para generar calor y presión. Esa energía térmica se transforma posteriormente en movimiento mediante pistones, bielas, cigüeñal y otros componentes. Durante el proceso se pierde una cantidad importante de energía, principalmente en forma de calor.

En cambio, un motor eléctrico transforma la energía eléctrica en movimiento de una forma mucho más directa. Algunos motores eléctricos modernos pueden superar el 90 % de eficiencia en determinadas condiciones. La normativa europea establece diferentes clases de eficiencia para motores eléctricos y contempla valores elevados para determinadas categorías. Consulta la normativa europea sobre eficiencia de motores eléctricos.

Cómo funciona la eficiencia de un motor de combustión

Para entender la diferencia hay que observar qué ocurre dentro de un motor de gasolina o diésel.

El combustible contiene energía química. Cuando se produce la combustión, esa energía se libera principalmente en forma de calor. La expansión de los gases generados durante la combustión empuja los pistones y produce trabajo mecánico.

El problema es que no toda la energía química del combustible puede convertirse en movimiento.

Una parte importante se pierde a través del sistema de refrigeración y de los gases de escape. También existen pérdidas por fricción, bombeo, accesorios y transmisión.

Las National Academies de Estados Unidos explican cómo se distribuyen las pérdidas energéticas de los vehículos y cómo una parte muy importante de la energía del combustible termina convertida en calor en los motores de combustión.

El calor es uno de los grandes enemigos de la eficiencia

Una de las diferencias fundamentales entre ambos sistemas es precisamente el calor.

Un motor de combustión necesita producir temperaturas muy elevadas para liberar la energía del combustible. Parte de esa energía termina inevitablemente convertida en calor que no puede utilizarse para mover las ruedas.

Esto explica por qué un automóvil puede tener un motor potente y, al mismo tiempo, desperdiciar una parte considerable de la energía contenida en cada litro de combustible.

La eficiencia térmica depende del diseño del motor, su carga y las condiciones de funcionamiento. Por eso no existe una única cifra que pueda aplicarse a todos los motores de gasolina o diésel.

El motor eléctrico transforma la energía de forma más directa

En un vehículo eléctrico, la cadena de transformación es diferente.

La batería almacena energía eléctrica y el inversor controla la electricidad que llega al motor. El motor genera campos electromagnéticos que producen el giro del rotor.

No es necesario quemar combustible para producir calor y después intentar transformar ese calor en movimiento.

Esto reduce considerablemente determinadas pérdidas.

Los motores eléctricos también presentan pérdidas propias relacionadas con la resistencia eléctrica, la electrónica de potencia, el calor y los elementos mecánicos. Por tanto, tampoco son 100 % eficientes.

Sin embargo, su eficiencia puede ser muy elevada. Puedes consultar más información técnica sobre las clases de eficiencia de los motores en la normativa europea sobre motores eléctricos.

Menos piezas mecánicas también ayuda

Otra diferencia importante está en la complejidad mecánica.

Un motor de combustión necesita numerosos componentes para funcionar correctamente: pistones, segmentos, bielas, cigüeñal, válvulas, árbol de levas, sistemas de inyección y lubricación, además de otros elementos dependiendo del diseño.

Todos estos componentes generan determinadas pérdidas mecánicas y por fricción.

El motor eléctrico tiene una construcción diferente y, en términos generales, necesita menos elementos mecánicos en el sistema de propulsión.

Esto contribuye a reducir determinadas pérdidas y también permite simplificar parte del sistema de transmisión.

La frenada regenerativa mejora el aprovechamiento de la energía

Los vehículos eléctricos cuentan además con una característica especialmente interesante: la frenada regenerativa.

Cuando un coche convencional frena, gran parte de la energía cinética del vehículo termina transformándose en calor en los frenos.

En un vehículo eléctrico, el motor puede funcionar durante determinadas fases de desaceleración como generador. Parte de la energía cinética se convierte de nuevo en electricidad y puede almacenarse en la batería.

Las National Academies explican el funcionamiento de la recuperación de energía mediante frenada regenerativa y su contribución a la eficiencia de los vehículos eléctricos.

Esto no significa que se recupere toda la energía utilizada para acelerar, pero sí permite aprovechar una parte de la energía que, en un vehículo convencional, se perdería principalmente en forma de calor.

¿Cuánta energía se pierde en un coche eléctrico?

Aunque los vehículos eléctricos son muy eficientes, no toda la electricidad almacenada en la batería termina moviendo las ruedas.

Existen pérdidas durante la carga, en la batería, en el inversor, en el motor, en la transmisión y en otros sistemas auxiliares.

Por eso es importante distinguir entre la eficiencia del motor y la eficiencia de todo el vehículo.

La Canada Energy Regulator compara las pérdidas energéticas de vehículos eléctricos y vehículos con motor de combustión y muestra cómo la distribución de esas pérdidas es muy diferente entre ambos sistemas.

Motor eléctrico frente a motor de combustión

Característica	Motor eléctrico	Motor de combustión
Fuente de energía	Electricidad	Gasolina o diésel
Conversión principal	Electricidad → movimiento	Combustible → calor → movimiento
Pérdidas térmicas	Relativamente bajas	Elevadas
Eficiencia del motor	Puede superar el 90 % en determinadas condiciones	Generalmente inferior
Frenada regenerativa	Sí	No en un vehículo convencional
Elementos mecánicos	Menos en el sistema de propulsión	Más numerosos
Gases de escape	No	Sí

Las cifras concretas dependen del motor, vehículo, carga, temperatura, velocidad y condiciones de funcionamiento.

¿Significa esto que el coche eléctrico siempre consume menos energía?

Desde el punto de vista del uso del vehículo, la elevada eficiencia del sistema eléctrico es una de sus principales características.

Sin embargo, si queremos realizar una comparación energética completa, hay que tener en cuenta mucho más que el motor. La fabricación de la batería, la producción de electricidad, la fabricación del vehículo y el reciclaje también forman parte del análisis.

Por eso no debe confundirse la eficiencia del motor con el impacto energético o ambiental de todo el ciclo de vida.

Los estudios de ciclo de vida analizan precisamente estas diferentes etapas. Por ejemplo, una revisión publicada en ScienceDirect analiza diferentes factores que influyen en la evaluación de los vehículos eléctricos.

¿Por qué el motor eléctrico tiene una ventaja de eficiencia?

La explicación principal puede resumirse en una idea sencilla: el motor eléctrico necesita realizar menos transformaciones energéticas antes de producir movimiento.

Un motor de combustión parte de la energía química del combustible, genera calor y posteriormente convierte una parte de ese calor en movimiento mecánico. Durante este proceso se producen pérdidas importantes.

El motor eléctrico recibe energía eléctrica y la convierte en movimiento mediante electromagnetismo.

A esto se suma la posibilidad de recuperar parte de la energía durante las frenadas y la reducción de determinadas pérdidas mecánicas.

Características principales

El motor eléctrico transforma electricidad en movimiento.
El motor de combustión transforma energía química en calor y posteriormente en movimiento.
Los motores térmicos presentan importantes pérdidas de energía en forma de calor.
Los motores eléctricos pueden alcanzar eficiencias superiores al 90 % en determinadas condiciones.
Los vehículos eléctricos pueden recuperar parte de la energía durante la frenada.
El sistema eléctrico tiene menos elementos mecánicos en determinadas partes de la transmisión.
La eficiencia real depende de las condiciones de funcionamiento.
La eficiencia del motor no equivale a la eficiencia energética de todo el vehículo.
La producción de electricidad influye en el análisis energético global.
Para comparar vehículos completamente hay que considerar también su ciclo de vida.

Entonces, ¿por qué un motor eléctrico es más eficiente?

La principal razón es que un motor eléctrico convierte la energía disponible en movimiento con menos pérdidas que un motor de combustión.

El motor térmico necesita liberar energía mediante una combustión y trabajar con temperaturas elevadas, lo que provoca que una parte importante de esa energía termine convertida en calor. El motor eléctrico, en cambio, utiliza electromagnetismo para transformar la electricidad en movimiento y puede recuperar además parte de la energía durante las frenadas.

Eso no significa que un coche eléctrico no tenga pérdidas ni que todas las comparaciones energéticas sean iguales. Hay que diferenciar entre la eficiencia del motor, la eficiencia del vehículo y el análisis completo de su ciclo de vida.

Pero cuando hablamos específicamente de convertir la energía disponible durante la conducción en movimiento, la arquitectura eléctrica presenta una elevada eficiencia frente al motor de combustión.

He dejado los enlaces dentro del texto, apuntando a fuentes técnicas y organismos relevantes, para que además de aportar información sirvan como referencias útiles para el artículo.