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Un vehículo híbrido es aquel que utiliza dos o más tipos distintos de energía, como los submarinos que utilizan diésel cuando están en la superficie y baterías cuando están sumergidos. Otros medios para almacenar energía incluyen fluido presurizado en los híbridos hidráulicos .
Los sistemas de propulsión híbridos están diseñados para cambiar de una fuente de energía a otra para maximizar tanto la eficiencia de combustible como la eficiencia energética . En los vehículos eléctricos híbridos , por ejemplo, el motor eléctrico es más eficiente a la hora de producir par motor, o potencia de giro, mientras que el motor de combustión es mejor para mantener una alta velocidad. La mejora de la eficiencia, la reducción de las emisiones y la reducción de los costes de funcionamiento en relación con los vehículos no híbridos son tres de los principales beneficios de la hibridación.
Los ciclomotores , las bicicletas eléctricas e incluso los patinetes eléctricos son una forma sencilla de híbridos, impulsados por un motor de combustión interna o un motor eléctrico y los músculos del conductor. Los primeros prototipos de motocicletas de finales del siglo XIX utilizaban el mismo principio.
El primer prototipo publicado de un SHB es de Augustus Kinzel (patente estadounidense 3'884'317) en 1975. En 1994, Bernie Macdonalds concibió el Electrilite [3] SHB con electrónica de potencia que permite el frenado regenerativo y el pedaleo en parado. En 1995, Thomas Muller diseñó y construyó una "Fahrrad mit elektromagnetischem Antrieb" para su tesis de diploma de 1995. En 1996, Jürg Blatter y Andreas Fuchs de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Berna construyeron un SHB y en 1998 modificaron un triciclo Leitra (patente europea EP 1165188). Hasta 2005 construyeron varios prototipos de triciclos y cuadriciclos SH . [4] En 1999, Harald Kutzke describió una "bicicleta activa": el objetivo es acercarse a la bicicleta ideal que no pesa nada y no tiene resistencia mediante compensación electrónica.
Un prototipo de SHEPB fabricado por David Kitson en Australia [5] en 2014 utilizó un motor eléctrico de CC sin escobillas liviano de un dron aéreo y un motor de combustión interna del tamaño de una herramienta manual pequeña , y un sistema de transmisión impreso en 3D y una carcasa liviana, que en total pesan menos de 4,5 kg. La refrigeración activa evita que las piezas de plástico se ablanden. El prototipo utiliza un puerto de carga de bicicleta eléctrica normal.
Los trenes de potencia híbridos utilizan diésel-eléctrico o turboeléctrico para impulsar locomotoras de ferrocarril, autobuses, vehículos pesados, maquinaria hidráulica móvil y barcos. Un motor diésel / turbina impulsa un generador eléctrico o una bomba hidráulica, que alimenta motores eléctricos/hidráulicos, estrictamente una transmisión eléctrica/hidráulica (no un híbrido), a menos que pueda aceptar energía del exterior. Con vehículos grandes, las pérdidas de conversión disminuyen y las ventajas de distribuir energía a través de cables o tuberías en lugar de elementos mecánicos se vuelven más prominentes, especialmente cuando se alimentan múltiples unidades, por ejemplo, ruedas motrices o hélices. Hasta hace poco, la mayoría de los vehículos pesados tenían poco almacenamiento de energía secundaria, por ejemplo, baterías/ acumuladores hidráulicos , excepto los submarinos no nucleares , uno de los híbridos de producción más antiguos, que funciona con diésel mientras está en la superficie y baterías cuando está sumergido. Tanto las configuraciones en serie como en paralelo se utilizaron en submarinos de la Segunda Guerra Mundial.
El nuevo Autorail à grande capacité (AGC o automotor de alta capacidad) construido por la empresa canadiense Bombardier para el servicio en Francia tiene motores diésel/eléctricos, que utilizan 1500 o 25 000 V en diferentes sistemas ferroviarios. [ 7] Fue probado en Rotterdam, Países Bajos, con Railfeeding, una empresa de Genesee & Wyoming .
La primera locomotora híbrida en
evaluación fue diseñada por el centro de investigación ferroviaria Matrai en 1999 y construida en 2000. Era una locomotora EMD G12 mejorada con baterías, un generador diésel de 200 kW y cuatro motores de CA.
El primer tren híbrido de Japón
con un importante almacenamiento de energía es el KiHa E200 , con baterías de iones de litio montadas en el techo . [8]
La empresa ferroviaria india
lanzó en enero de 2015 un tren híbrido de GNC y diésel. El tren tiene un motor de 1400 CV que utiliza tecnología de fumigación. El primero de estos trenes está previsto que circule por la ruta Rewari-Rohtak de 81 km de longitud. [9] El GNC es una alternativa menos contaminante al diésel y la gasolina y es popular como combustible alternativo en la India. Ya muchos vehículos de transporte, como los auto-rickshaws y los autobuses, funcionan con combustible de GNC.
América del Norte
En los EE. UU., General Electric fabricó una locomotora con almacenamiento en baterías de cloruro de sodio y níquel (Na-NiCl 2 ). Esperan un ahorro de combustible de ≥10 %. [10] [ verificación fallida ]
Las locomotoras diésel-eléctricas variantes incluyen las locomotoras de maniobras/patio Green Goat (GG) y Green Kid (GK) construidas por Railpower Technologies de Canadá , con baterías de plomo-ácido (PBA) y motores eléctricos de 1000 a 2000 hp, y un nuevo generador diésel de combustión limpia de ≈160 hp. No se desperdicia combustible en ralentí: aproximadamente entre el 60 y el 85 % del tiempo para este tipo de locomotoras. No está claro si se utiliza el frenado regenerativo; pero en principio, se utiliza fácilmente.
Dado que estos motores normalmente necesitan peso adicional para fines de tracción de todos modos, el peso del paquete de baterías es una penalización insignificante. [ cita requerida ] El generador diésel y las baterías normalmente se construyen sobre el marco de una locomotora de "patio" "retirada" existente. Los motores y el tren de rodaje existentes se reconstruyen y reutilizan. Se afirma que se logran ahorros de combustible de entre el 40 y el 60 % y reducciones de contaminación de hasta el 80 % en comparación con una locomotora de patio/de maniobras más antigua "típica". Las ventajas que tienen los autos híbridos para los arranques y paradas frecuentes y los períodos de inactividad se aplican al uso típico en el patio de maniobras. [11] Las locomotoras "Green Goat" han sido compradas por Canadian Pacific , BNSF , Kansas City Southern Railway y Union Pacific , entre otras.
Los ingenieros de Railpower Technologies, que trabajan con TSI Terminal Systems, están probando una unidad de potencia híbrida diésel-eléctrica con almacenamiento en baterías para su uso en grúas pórtico con neumáticos (RTG) . Las grúas RTG se utilizan normalmente para cargar y descargar contenedores de transporte en trenes o camiones en puertos y patios de almacenamiento de contenedores. La energía utilizada para elevar los contenedores se puede recuperar parcialmente cuando se bajan. Los ingenieros de Railpower prevén reducciones de entre el 50 y el 70 % en el consumo de combustible diésel y de emisiones. [12] Se espera que los primeros sistemas estén operativos en 2007. [13]
Los sistemas híbridos se utilizan con regularidad en camiones, autobuses y otros vehículos pesados de carretera. Los tamaños de flota pequeños y los costes de instalación se compensan con el ahorro de combustible, [14] [ necesita actualización ] con avances como una mayor capacidad, un menor coste de la batería, etc. Toyota, Ford, GM y otros están introduciendo camionetas y todoterrenos híbridos. Kenworth Truck Company presentó recientemente el Kenworth T270 Clase 6 que para uso urbano parece ser competitivo. [15] [16] FedEx y otros están invirtiendo en vehículos de reparto híbridos, especialmente para uso urbano, donde la tecnología híbrida puede dar sus primeros frutos. [17] A partir de diciembre de 2013, [actualizar]FedEx está probando dos camiones de reparto con motores eléctricos Wrightspeed y generadores diésel; se afirma que los kits de actualización se amortizan en unos pocos años. Los motores diésel funcionan a una RPM constante para una máxima eficiencia. [18]
En 1978, los estudiantes del Centro Técnico Vocacional Hennepin de Minneapolis, Minnesota, transformaron un Volkswagen Beetle en un híbrido petrohidráulico con componentes estándar. Un automóvil con un consumo de 32 mpg obtenía 75 mpg con el motor de 60 hp reemplazado por uno de 16 hp, y alcanzaba una velocidad de 70 mph. [19]
En la década de 1990, los ingenieros del Laboratorio Nacional de Emisiones de Vehículos y Combustibles de la EPA desarrollaron un sistema de propulsión petrohidráulico para un sedán estadounidense típico. El vehículo de prueba alcanzó más de 80 mpg en ciclos combinados de conducción ciudad/carretera de la EPA. La aceleración fue de 0 a 60 mph en 8 segundos, utilizando un motor diésel de 1,9 litros. No se utilizaron materiales ligeros. La EPA estimó que la producción en grandes volúmenes de los componentes hidráulicos añadiría sólo 700 dólares al coste. [20] En las pruebas de la EPA, un Ford Expedition híbrido hidráulico arrojó 32 mpg (7,4 L/100 km) en ciudad y 22 mpg (11 L/100 km) en carretera. [20] [21] UPS tiene actualmente dos camiones en servicio que utilizan esta tecnología. [22]
Desde 1985, el ejército de EE. UU. ha estado probando Humvees híbridos en serie [23] [24] y ha descubierto que ofrecen una aceleración más rápida, un modo sigiloso con baja firma térmica , un funcionamiento casi silencioso y una mayor economía de combustible.
Los barcos con velas montadas en el mástil y motores de vapor fueron una forma temprana de vehículo híbrido. Otro ejemplo es el submarino diésel-eléctrico . Este funciona con baterías cuando está sumergido y las baterías se pueden recargar con el motor diésel cuando la embarcación está en la superficie.
En 2022 [actualizar], hay 550 barcos con una media de 1,6 MWh de baterías. En 2016, la media era de 500 kWh. [25]
Los sistemas híbridos de propulsión de barcos más nuevos incluyen grandes cometas de remolque fabricadas por empresas como SkySails . Las cometas de remolque pueden volar a alturas varias veces superiores a los mástiles de los barcos más altos, capturando vientos más fuertes y constantes.
El avión de demostración de pila de combustible de Boeing tiene un sistema híbrido de pila de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) y batería de iones de litio para alimentar un motor eléctrico, que está acoplado a una hélice convencional. La pila de combustible proporciona toda la energía para la fase de crucero del vuelo. Durante el despegue y el ascenso, el segmento del vuelo que requiere más energía, el sistema utiliza baterías ligeras de iones de litio.
El avión de demostración es un planeador motorizado Dimona, construido por Diamond Aircraft Industries de Austria, que también realizó modificaciones estructurales en la aeronave. Con una envergadura de 16,3 metros (53 pies), el avión podrá volar a unos 100 km/h (62 mph) con la energía de la pila de combustible. [26]
Se han diseñado FanWings híbridos, formados por dos motores con capacidad de autorrotación y aterrizaje como un helicóptero. [27]
Cuando se utiliza el término vehículo híbrido , se suele hacer referencia a un vehículo eléctrico híbrido . Estos incluyen vehículos como Saturn Vue , Toyota Prius , Toyota Yaris , Toyota Camry Hybrid , Ford Escape Hybrid , Ford Fusion Hybrid , Toyota Highlander Hybrid , Honda Insight , Honda Civic Hybrid , Lexus RX 400h y 450h , Hyundai Ioniq Hybrid , Hyundai Sonata Hybrid , Hyundai Elantra Hybrid, Kia Sportage Hybrid, Kia Niro Hybrid, Kia Sorento Hybrid y otros. Un híbrido de petróleo y electricidad utiliza con mayor frecuencia motores de combustión interna (que utilizan una variedad de combustibles, generalmente motores de gasolina o diésel ) y motores eléctricos para impulsar el vehículo. La energía se almacena en el combustible del motor de combustión interna y en un conjunto de baterías eléctricas . Hay muchos tipos de transmisiones híbridas de petróleo y electricidad , desde híbridos completos hasta híbridos suaves , que ofrecen diferentes ventajas y desventajas. [28]
William H. Patton presentó una solicitud de patente para un sistema de propulsión híbrido de vagón-ferrocarril con motor de gasolina y electricidad a principios de 1889, y para un sistema de propulsión híbrido similar para un barco a mediados de 1889. [29] [30] No hay evidencia de que su barco híbrido haya tenido éxito, pero construyó un prototipo de tranvía híbrido y vendió una pequeña locomotora híbrida . [31] [32]
En 1899, Henri Pieper desarrolló el primer automóvil híbrido petroeléctrico del mundo . En 1900, Ferdinand Porsche desarrolló un híbrido en serie que utilizaba dos motores en los cubos de las ruedas con un grupo electrógeno de combustión interna que proporcionaba la energía eléctrica; el híbrido de Porsche estableció dos récords de velocidad. [ cita requerida ] Si bien los híbridos de combustible líquido/eléctrico se remontan a fines del siglo XIX, el híbrido regenerativo de frenado fue inventado por David Arthurs, un ingeniero eléctrico de Springdale, Arkansas, en 1978-79. Se informó que su Opel GT convertido en casa devolvía hasta 75 mpg y aún se venden planes para este diseño original, y la versión modificada de "Mother Earth News" en su sitio web. [33]
El vehículo eléctrico enchufable (PEV) es cada vez más común. Tiene la autonomía necesaria en lugares donde hay grandes desniveles sin servicios. Las baterías se pueden enchufar a la red eléctrica doméstica para cargarlas, así como también se pueden cargar mientras el motor está en marcha.
Algunos vehículos eléctricos a batería pueden recargarse mientras el usuario conduce. Dichos vehículos establecen contacto con un raíl, placa o cables aéreos electrificados en la carretera a través de una rueda conductora acoplada u otros mecanismos similares (véase captación de corriente por conducto ). Las baterías del vehículo se recargan mediante este proceso (en la carretera) y luego pueden utilizarse normalmente en otras carreteras hasta que se descarguen. Por ejemplo, algunas de las locomotoras eléctricas a batería que se utilizan para los trenes de mantenimiento del metro de Londres son capaces de funcionar de esta manera.
El desarrollo de una infraestructura para vehículos eléctricos a batería ofrecería la ventaja de una autonomía en carretera prácticamente sin restricciones. Dado que muchos destinos están a menos de 100 km de una carretera principal, esta tecnología podría reducir la necesidad de costosos sistemas de baterías. Sin embargo, el uso privado del sistema eléctrico existente está prohibido casi universalmente. Además, la tecnología para dicha infraestructura eléctrica está en gran medida obsoleta y, fuera de algunas ciudades, no está ampliamente distribuida (véase captación de corriente por conductos , tranvías , ferrocarril eléctrico , trolebuses , tercer carril ). La actualización de los costos eléctricos y de infraestructura necesarios podría tal vez financiarse mediante ingresos por peajes o impuestos específicos al transporte.
Además de los vehículos que utilizan dos o más dispositivos diferentes para su propulsión , algunos también consideran híbridos a los vehículos que utilizan distintas fuentes de energía o tipos de entrada (" combustibles ") utilizando el mismo motor, aunque para evitar confusiones con los híbridos descritos anteriormente y para utilizar correctamente los términos, quizás sea más correcto describirlos como vehículos de modo dual :
Los vehículos híbridos hidráulicos y neumáticos utilizan un motor o un sistema de frenado regenerativo (o ambos) para cargar un acumulador de presión que impulsa las ruedas mediante unidades de accionamiento hidráulicas (líquido) o neumáticas (gas comprimido). En la mayoría de los casos, el motor está separado del tren de transmisión y sirve únicamente para cargar el acumulador de energía. La transmisión es continua. El frenado regenerativo se puede utilizar para recuperar parte de la energía de accionamiento suministrada y devolverla al acumulador.
Una empresa francesa, MDI , ha diseñado y tiene modelos en funcionamiento de un automóvil con motor híbrido de aire y petróleo. El sistema no utiliza motores de aire para impulsar el vehículo, sino que es impulsado directamente por un motor híbrido. El motor utiliza una mezcla de aire comprimido y gasolina inyectada en los cilindros. [37] Un aspecto clave del motor híbrido es la "cámara activa", que es un compartimento que calienta el aire a través del combustible duplicando la producción de energía. [38] Tata Motors de la India evaluó la fase de diseño hacia la producción completa para el mercado indio y pasó a "completar el desarrollo detallado del motor de aire comprimido en vehículos específicos y aplicaciones estacionarias". [39] [40]
Las configuraciones petrohidráulicas han sido comunes en trenes y vehículos pesados durante décadas. La industria automotriz se ha centrado recientemente en esta configuración híbrida, ya que ahora parece prometedora para su introducción en vehículos más pequeños.
En los híbridos petrohidráulicos, la tasa de recuperación de energía es alta y, por lo tanto, el sistema es más eficiente que los híbridos cargados con baterías eléctricas que utilizan la tecnología de batería eléctrica actual, demostrando un aumento del 60% al 70% en la economía de energía en las pruebas de la Agencia de Protección Ambiental de los EE. UU. (EPA). [41] El motor de carga solo necesita dimensionarse para un uso promedio con ráfagas de aceleración que utilizan la energía almacenada en el acumulador hidráulico, que se carga cuando el vehículo está en funcionamiento con baja demanda de energía. El motor de carga funciona a una velocidad y carga óptimas para lograr eficiencia y longevidad. En las pruebas realizadas por la Agencia de Protección Ambiental de los EE. UU. (EPA), un Ford Expedition híbrido hidráulico devolvió 32 millas por galón estadounidense (7,4 L/100 km; 38 mpg ‑imp ) en ciudad y 22 millas por galón estadounidense (11 L/100 km; 26 mpg ‑imp ) en carretera. [20] [21] UPS actualmente tiene dos camiones en servicio que utilizan esta tecnología. [22]
Aunque la tecnología híbrida petrohidráulica se conoce desde hace décadas y se utiliza tanto en trenes como en vehículos de construcción de gran tamaño, los altos costes de los equipos impidieron que estos sistemas se utilizaran en camiones y automóviles más ligeros. En el sentido moderno, un experimento demostró la viabilidad de los vehículos de carretera híbridos petrohidráulicos pequeños en 1978. Un grupo de estudiantes del Centro Técnico Vocacional Hennepin de Minneapolis, Minnesota, convirtió un automóvil Volkswagen Beetle para que funcionara como un híbrido petrohidráulico utilizando componentes estándar. Un automóvil con un consumo de combustible de 32 mpg ‑US (7,4 L/100 km; 38 mpg ‑imp ) devolvía 75 mpg ‑US (3,1 L/100 km; 90 mpg ‑imp ) con el motor de 60 hp reemplazado por un motor de 16 hp. El automóvil experimental alcanzó 70 mph (110 km/h). [19]
En la década de 1990, un equipo de ingenieros que trabajaba en el Laboratorio Nacional de Emisiones de Vehículos y Combustibles de la EPA logró desarrollar un revolucionario tipo de sistema de propulsión híbrido petrohidráulico que impulsaría un sedán estadounidense típico. El vehículo de prueba alcanzó más de 80 mpg en ciclos combinados de conducción ciudad/carretera de la EPA. La aceleración fue de 0 a 60 mph en 8 segundos, utilizando un motor diésel de 1,9 L. No se utilizaron materiales ligeros. La EPA estimó que, si se produjeran en grandes cantidades, los componentes hidráulicos sumarían solo 700 dólares al coste base del vehículo. [20]
El sistema híbrido petrohidráulico tiene un ciclo de carga y descarga más rápido y eficiente que los híbridos petroeléctricos y también es más económico de construir. El tamaño del recipiente acumulador determina la capacidad total de almacenamiento de energía y puede requerir más espacio que un conjunto de baterías eléctricas. Cualquier espacio del vehículo consumido por un recipiente acumulador de mayor tamaño puede verse compensado por la necesidad de un motor de carga de menor tamaño, en términos de HP y tamaño físico.
Se están realizando investigaciones en grandes corporaciones y pequeñas empresas. Ahora, el enfoque se ha desplazado hacia vehículos más pequeños. Los componentes del sistema eran caros, lo que impedía la instalación en camiones y automóviles más pequeños. Un inconveniente era que los motores de accionamiento de potencia no eran lo suficientemente eficientes con carga parcial. Una empresa británica ( Artemis Intelligent Power ) hizo un gran avance al presentar un motor/bomba hidráulico controlado electrónicamente, el motor/bomba Digital Displacement®. La bomba es altamente eficiente en todos los rangos de velocidad y cargas, lo que da viabilidad a pequeñas aplicaciones de híbridos petrohidráulicos. [42] La empresa convirtió un automóvil BMW como banco de pruebas para demostrar la viabilidad. El BMW 530i dio el doble de mpg en conducción urbana en comparación con el automóvil estándar. Esta prueba se realizó con el motor estándar de 3000 cc; con un motor más pequeño, las cifras habrían sido más impresionantes. El diseño de híbridos petrohidráulicos que utilizan acumuladores de buen tamaño permite reducir el tamaño de un motor al uso de potencia promedio, no al uso de potencia máxima. La potencia máxima se proporciona mediante la energía almacenada en el acumulador. Un motor de velocidad constante más pequeño y eficiente reduce el peso y libera espacio para un acumulador más grande. [43]
Las carrocerías de los vehículos actuales están diseñadas en torno a la mecánica de las configuraciones de motor/transmisión existentes. Es restrictivo y está lejos de ser ideal instalar mecánica petrohidráulica en carrocerías existentes que no están diseñadas para configuraciones hidráulicas. El objetivo de un proyecto de investigación es crear un diseño de coche nuevo en papel en blanco, para maximizar el empaquetamiento de los componentes híbridos petrohidráulicos en el vehículo. Todos los componentes hidráulicos voluminosos están integrados en el chasis del coche. Un diseño ha afirmado devolver 130 mpg en pruebas utilizando un gran acumulador hidráulico que también es el chasis estructural del coche. Los pequeños motores de accionamiento hidráulico están incorporados dentro de los cubos de las ruedas que impulsan las ruedas y revierten para recuperar la energía cinética de frenado. Los motores de cubo eliminan la necesidad de frenos de fricción, transmisiones mecánicas, ejes de transmisión y juntas universales, lo que reduce los costos y el peso. La transmisión hidrostática sin frenos de fricción se utiliza en vehículos industriales. [44] El objetivo es 170 mpg en condiciones de conducción promedio. La energía creada por los amortiguadores y la energía cinética de frenado que normalmente se desperdiciaría ayudan a cargar el acumulador. Un pequeño motor de pistón alimentado con combustible fósil, dimensionado para un uso de potencia promedio, carga el acumulador. El acumulador está dimensionado para hacer funcionar el automóvil durante 15 minutos cuando está completamente cargado. El objetivo es un acumulador completamente cargado que produzca una velocidad de aceleración de 0 a 60 mph en menos de 5 segundos utilizando tracción en las cuatro ruedas. [45] [46] [47]
En enero de 2011, el gigante industrial Chrysler anunció una asociación con la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) para diseñar y desarrollar un sistema de propulsión híbrido petrohidráulico experimental adecuado para su uso en automóviles de pasajeros de gran tamaño. En 2012, una miniván de producción existente se adaptó al nuevo sistema de propulsión hidráulico para su evaluación. [20] [48] [49] [50]
PSA Peugeot Citroën exhibió un motor experimental "Hybrid Air" en el Salón del Automóvil de Ginebra de 2013. [51] [52] El vehículo utiliza gas nitrógeno comprimido por la energía cosechada al frenar o desacelerar para impulsar un accionamiento hidráulico que complementa la potencia de su motor de gasolina convencional. Los componentes hidráulicos y electrónicos fueron suministrados por Robert Bosch GmbH . El kilometraje se estimó en aproximadamente 118 mpg ‑US (2 L/100 km; 142 mpg ‑imp ) en el ciclo de prueba Euro si se instala en una carrocería tipo Citroën C3 . [53] [54] PSA Aunque el automóvil estaba listo para la producción y se demostró que era factible entregar los resultados declarados, Peugeot Citroën no pudo atraer a un fabricante importante para compartir los altos costos de desarrollo y está archivando el proyecto hasta que se pueda organizar una asociación. [55]
Otra forma de vehículo híbrido son los vehículos eléctricos propulsados por humanos, entre los que se incluyen vehículos como el Sinclair C5 , el Twike , las bicicletas eléctricas , los monopatines eléctricos y las motocicletas y scooters eléctricos.
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En un vehículo híbrido paralelo, un motor eléctrico y un motor de combustión interna están acoplados de manera que pueden impulsar el vehículo de forma individual o conjunta. Lo más habitual es que el motor de combustión interna, el motor eléctrico y la caja de cambios estén acoplados mediante embragues controlados automáticamente. Para la conducción eléctrica, el embrague entre el motor de combustión interna está abierto mientras que el embrague de la caja de cambios está acoplado. Mientras están en modo de combustión, el motor y el motor funcionan a la misma velocidad.
El primer híbrido paralelo de producción en masa vendido fuera de Japón fue el Honda Insight de primera generación .
El Mercedes-Benz E 300 BlueTEC HYBRID, lanzado en 2012 solo en los mercados europeos, es un vehículo híbrido diésel de producción en serie muy poco común, impulsado por un motor Mercedes-Benz OM651 que desarrolla 152 kW (204 hp) combinado con un motor eléctrico de 20 kW (27 hp), ubicado entre el motor y la caja de cambios, para una potencia combinada de 170 kW (228 hp). El vehículo tiene un índice de consumo de combustible de 24–26 km/L (56–62 mpg ‑US ; 67–74 mpg ‑imp ). [56] [57] [58]
Estos tipos utilizan un motor eléctrico generalmente compacto (normalmente <20 kW) para proporcionar funciones de arranque/parada automática y para proporcionar asistencia de potencia adicional [59] durante la aceleración y para generar en la fase de desaceleración (también conocido como frenado regenerativo ).
Los ejemplos en carretera incluyen Honda Civic Hybrid , Honda Insight de segunda generación, Honda CR-Z , Honda Accord Hybrid , Mercedes Benz S400 BlueHYBRID , BMW Serie 7 híbridos, General Motors BAS Hybrids , Suzuki S-Cross , Suzuki Wagon R y Smart fortwo con propulsión microhíbrida.
En un tren de transmisión eléctrico híbrido con división de potencia, hay dos motores: un motor eléctrico de tracción y un motor de combustión interna. La potencia de estos dos motores se puede compartir para impulsar las ruedas a través de un dispositivo de división de potencia, que es un conjunto de engranajes planetarios simple . La relación puede ser del 100 % para el motor de combustión al 100 % para el motor eléctrico de tracción, o cualquier valor intermedio. El motor de combustión puede actuar como un generador que carga las baterías.
Las versiones modernas, como el Toyota Hybrid Synergy Drive, tienen un segundo motor/generador eléctrico conectado al engranaje planetario. En cooperación con el motor/generador de tracción y el dispositivo de distribución de potencia, esto proporciona una transmisión continuamente variable.
En carretera, la fuente de energía principal es el motor de combustión interna. Cuando se necesita la máxima potencia, por ejemplo para adelantar, se utiliza el motor eléctrico de tracción para ayudar. Esto aumenta la potencia disponible durante un breve período, lo que da el efecto de tener un motor más grande que el realmente instalado. En la mayoría de las aplicaciones, el motor de combustión se apaga cuando el automóvil va lento o está parado, lo que reduce las emisiones en la acera.
Las instalaciones de automóviles de pasajeros incluyen Toyota Prius , Ford Escape y Fusion, así como Lexus RX 400h, RX450h, GS450h, LS600h y CT200h.
Un vehículo híbrido en serie o en serie es impulsado por un motor eléctrico, que funciona como un vehículo eléctrico mientras el suministro de energía de la batería es suficiente, con un motor ajustado para funcionar como generador cuando la batería es insuficiente. Por lo general, no hay conexión mecánica entre el motor y las ruedas, y el propósito principal del extensor de autonomía es cargar la batería. Los híbridos en serie también se conocen como vehículo eléctrico de autonomía extendida , vehículo eléctrico de autonomía extendida o vehículo eléctrico de autonomía extendida (EREV/REEV/EVER).
El BMW i3 con extensor de autonomía es un vehículo híbrido de producción en serie. Funciona como un vehículo eléctrico hasta que la carga de la batería es baja y luego activa un generador alimentado por el motor para mantener la potencia. También está disponible sin extensor de autonomía. El Fisker Karma fue el primer vehículo híbrido de producción en serie.
Al describir los automóviles, la batería de un híbrido en serie generalmente se carga al enchufarla, pero un híbrido en serie también puede permitir que una batería actúe solo como un amortiguador (y para fines de regeneración) y que la energía del motor eléctrico sea suministrada constantemente por un motor de apoyo. Las configuraciones en serie han sido comunes en locomotoras y barcos diésel-eléctricos . Ferdinand Porsche inventó efectivamente esta configuración en los autos de carrera que establecieron récords de velocidad a principios del siglo XX, como el Lohner–Porsche Mixte Hybrid . Porsche llamó a su configuración "System Mixt" y era un diseño de motor de cubo de rueda , donde cada una de las dos ruedas delanteras era impulsada por un motor separado. Esta configuración a veces se denominaba transmisión eléctrica , ya que el generador eléctrico y el motor de accionamiento reemplazaban a una transmisión mecánica. El vehículo no podía moverse a menos que el motor de combustión interna estuviera en funcionamiento.
En 1997, Toyota lanzó el primer autobús híbrido en serie vendido en Japón. [60] GM presentó el híbrido enchufable de la serie Chevy Volt en 2010, con el objetivo de lograr una autonomía totalmente eléctrica de 40 mi (64 km), [61] aunque este automóvil también tiene una conexión mecánica entre el motor y el tren motriz. [62] AFS Trinity ha utilizado supercondensadores combinados con un banco de baterías de iones de litio en un vehículo todoterreno Saturn Vue convertido. Usando supercondensadores, afirman que alcanza hasta 150 mpg en una disposición híbrida en serie. [63]
El Nissan Note e-power es un ejemplo de tecnología híbrida en serie desde 2016 en Japón.
Otro subtipo de vehículo híbrido es el vehículo eléctrico híbrido enchufable . El híbrido enchufable suele ser un híbrido general de combustible y electricidad (en paralelo o en serie) con una mayor capacidad de almacenamiento de energía, generalmente a través de una batería de iones de litio , que permite al vehículo circular en modo totalmente eléctrico una distancia que depende del tamaño de la batería y su disposición mecánica (en serie o en paralelo). Puede conectarse a la red eléctrica al final del trayecto para evitar la carga mediante el motor de combustión interna de a bordo. [64] [65]
Este concepto resulta atractivo para quienes buscan minimizar las emisiones en carretera evitando (o al menos minimizando) el uso de motores de combustión interna durante la conducción diaria. Al igual que con los vehículos eléctricos puros, el ahorro total de emisiones, por ejemplo en términos de CO2 , depende de la fuente de energía de la empresa generadora de electricidad.
Para algunos usuarios, este tipo de vehículo también puede resultar atractivo económicamente, siempre que la energía eléctrica que utilicen sea más barata que la gasolina o el diésel que habrían utilizado en otros casos. Los sistemas impositivos actuales de muchos países europeos utilizan el impuesto sobre los hidrocarburos como principal fuente de ingresos. Este no suele ser el caso de la electricidad, que se grava de manera uniforme para el cliente doméstico, independientemente del uso que haga esa persona. Algunos proveedores de electricidad también ofrecen ventajas en los precios para los usuarios nocturnos fuera de horas punta, lo que puede aumentar aún más el atractivo de la opción de los vehículos enchufables para los viajeros y los automovilistas urbanos.
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Un informe de la Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en las Carreteras de 2009 examinó los accidentes con vehículos eléctricos híbridos que involucraron a peatones y ciclistas y los comparó con los accidentes que involucraron vehículos con motor de combustión interna (ICEV). Los hallazgos mostraron que, en ciertas situaciones viales, los HEV son más peligrosos para los peatones o ciclistas. En los accidentes en los que un vehículo estaba disminuyendo la velocidad o deteniéndose, dando marcha atrás, entrando o saliendo de un espacio de estacionamiento (cuando la diferencia de sonido entre HEV y ICEV es más pronunciada), los HEV tenían el doble de probabilidades de estar involucrados en un choque con peatones que los ICEV. En el caso de los choques que involucraron a ciclistas o peatones, hubo una tasa de incidentes más alta para los HEV que para los ICEV cuando un vehículo estaba girando en una esquina. Sin embargo, no hubo una diferencia estadísticamente significativa entre los tipos de vehículos cuando conducían en línea recta. [66]
Varios fabricantes de automóviles desarrollaron sonidos de advertencia para vehículos eléctricos diseñados para alertar a los peatones de la presencia de vehículos eléctricos , como vehículos eléctricos híbridos, vehículos eléctricos híbridos enchufables y vehículos totalmente eléctricos (VE) que circulan a baja velocidad. Su propósito es hacer que los peatones, ciclistas, personas ciegas y otras personas sean conscientes de la presencia del vehículo mientras funciona en modo totalmente eléctrico . [67] [68] [69] [70]
Los vehículos en el mercado con tales dispositivos de seguridad incluyen el Nissan Leaf , Chevrolet Volt , Fisker Karma , Honda FCX Clarity , Nissan Fuga Hybrid/Infiniti M35 , Hyundai ix35 FCEV , Hyundai Sonata Hybrid , Honda Fit EV 2012 , Toyota Camry Hybrid 2012 , Lexus CT200h 2012 y toda la familia de automóviles Prius .
El vehículo híbrido suele lograr un mayor ahorro de combustible y menores emisiones que los vehículos con motor de combustión interna (ICEV) convencionales, lo que se traduce en una menor generación de emisiones. Estos ahorros se logran principalmente mediante tres elementos de un diseño híbrido típico:
Otras técnicas que no son necesariamente características "híbridas", pero que se encuentran con frecuencia en los vehículos híbridos incluyen:
Estas características hacen que un vehículo híbrido sea especialmente eficiente en el tráfico urbano, donde hay frecuentes paradas, marchas por inercia y periodos de ralentí. Además, las emisiones de ruido se reducen, especialmente al ralentí y a bajas velocidades de funcionamiento, en comparación con los vehículos con motor convencional. Para el uso continuo en autopistas a alta velocidad, estas características son mucho menos útiles para reducir las emisiones.
Las emisiones de los vehículos híbridos se están acercando o incluso por debajo del nivel recomendado por la EPA (Agencia de Protección Ambiental). Los niveles recomendados que sugieren para un vehículo de pasajeros típico deberían equivaler a 5,5 toneladas métricas de CO2 . Los tres vehículos híbridos más populares, Honda Civic , Honda Insight y Toyota Prius , establecen estándares aún más altos al producir 4,1, 3,5 y 3,5 toneladas, lo que muestra una mejora importante en las emisiones de dióxido de carbono. Los vehículos híbridos pueden reducir las emisiones atmosféricas de contaminantes que forman smog hasta en un 90% y reducir las emisiones de dióxido de carbono a la mitad. [71]
Para construir vehículos híbridos frente a los coches convencionales es necesario aumentar el consumo de combustibles fósiles, aumento que se ve compensado con creces por la reducción de las emisiones durante el funcionamiento del vehículo. [72]
Las emisiones de CO2 de los vehículos híbridos se han subestimado al comparar los ciclos de certificación con la conducción en condiciones reales. En un estudio que utilizó datos de conducción en condiciones reales, se demostró que utilizan una media de 120 g de CO2 por km en lugar de los 44 g por km de las pruebas oficiales. [73]
Toyota afirma que tres vehículos híbridos equivalen a un vehículo eléctrico de batería en términos de efecto de reducción de CO2 desde el punto de vista de la neutralidad de carbono , lo que significa reducir las emisiones de CO2 a cero durante todo el ciclo de vida de un producto, desde la adquisición de materias primas, la fabricación y el transporte hasta el uso, el reciclaje y la eliminación. [74]
Aunque los coches híbridos consumen menos combustible que los coches convencionales, todavía existe un problema relacionado con el daño ambiental de la batería del coche híbrido. [75] [76] Hoy en día, la mayoría de las baterías de los coches híbridos son de iones de litio , que tienen una mayor densidad energética que las baterías de níquel-hidruro metálico y son más respetuosas con el medio ambiente que las baterías a base de plomo que constituyen la mayor parte de las baterías de arranque de los coches de gasolina en la actualidad. [77]
Existen muchos tipos de baterías. Algunas son mucho más tóxicas que otras. La de iones de litio es la menos tóxica de las baterías mencionadas anteriormente. [78]
Los niveles de toxicidad y el impacto ambiental de las baterías de níquel-hidruro metálico (el tipo utilizado anteriormente en los híbridos) son mucho más bajos que las baterías como el plomo-ácido o el níquel-cadmio según una fuente. [79] Otra fuente afirma que las baterías de níquel-hidruro metálico son mucho más tóxicas que las baterías de plomo, y también que reciclarlas y desecharlas de forma segura es difícil. [80] En general, varios compuestos de níquel solubles e insolubles, como el cloruro de níquel y el óxido de níquel, tienen efectos cancerígenos conocidos en embriones de pollo y ratas. [81] [82] [83] El principal compuesto de níquel en las baterías de NiMH es el oxihidróxido de níquel (NiOOH), que se utiliza como electrodo positivo. Sin embargo, las baterías de níquel-hidruro metálico han caído en desgracia en los vehículos híbridos a medida que varias químicas de iones de litio se han vuelto más maduras para el mercado.
La batería de iones de litio se ha convertido en líder del mercado en este segmento debido a su alta densidad energética, estabilidad y costo en comparación con otras tecnologías. [84] Un líder del mercado en esta área es Panasonic con su asociación con Tesla [85] [86] [87] [88]
Las baterías de iones de litio son atractivas porque tienen la mayor densidad energética de todas las baterías recargables y pueden producir un voltaje más de tres veces el de la celda de batería de níquel-hidruro metálico, al mismo tiempo que almacenan grandes cantidades de electricidad. [77] Las baterías también producen un mayor rendimiento (aumentando la potencia del vehículo), una mayor eficiencia (evitando el uso innecesario de electricidad) y proporcionan una excelente durabilidad, en comparación con la vida útil de la batería, que es aproximadamente equivalente a la vida útil del vehículo. [89] Además, el uso de baterías de iones de litio reduce el peso total del vehículo y también logra una economía de combustible mejorada un 30% mejor que los vehículos impulsados por petróleo, con la consiguiente reducción de las emisiones de CO2, lo que ayuda a prevenir el calentamiento global. [90]
Las baterías de iones de litio también son más seguras de reciclar, y el Grupo Volkswagen es pionero en procesos para reciclar baterías de iones de litio; [91] esto también lo están siguiendo otras grandes empresas, como BMW , [92] Audi , [93] Mercedes-Benz [94] y Tesla . [95] El objetivo principal de muchas de estas empresas es combatir la desinformación sobre la naturaleza de las baterías de litio, principalmente sobre que no son reciclables, que se deriva principalmente de artículos que discuten las dificultades del reciclaje. [96] [97] [98]
Hay dos niveles diferentes de carga en los híbridos enchufables. La carga de nivel uno es el método más lento, ya que utiliza una toma de corriente monofásica con conexión a tierra de 120 V/15 A. El nivel dos es un método más rápido; el equipo de nivel 2 existente ofrece carga desde 208 V o 240 V (hasta 80 A, 19,2 kW). Puede requerir equipo dedicado y una instalación de conexión para unidades domésticas o públicas. [99] La ventana de carga óptima para las baterías de iones de litio es de 3 a 4,2 V. La recarga con una toma de corriente doméstica de 120 voltios lleva varias horas, un cargador de 240 voltios tarda entre 1 y 4 horas y una carga rápida tarda aproximadamente 30 minutos en alcanzar el 80% de carga. Tres factores importantes: distancia de carga, costo de carga y tiempo de carga [100] Para que los híbridos funcionen con energía eléctrica, el automóvil debe realizar la acción de frenar para generar algo de electricidad. [ cita requerida ] La electricidad se descarga de manera más efectiva cuando el automóvil acelera o sube una pendiente. En 2014, las baterías de los automóviles eléctricos híbridos pueden funcionar únicamente con electricidad durante 70 a 130 millas (110 a 210 km) con una sola carga. [ cita requerida ] La capacidad de la batería híbrida actualmente varía de 4,4 kWh a 85 kWh en un automóvil totalmente eléctrico. En un automóvil híbrido, los paquetes de baterías actualmente varían de 0,6 kWh a 2,4 kWh, lo que representa una gran diferencia en el uso de electricidad en los automóviles híbridos. [101]
Hay un aumento inminente en los costos de muchos materiales raros utilizados en la fabricación de automóviles híbridos. [102] Por ejemplo, el elemento de tierras raras disprosio es necesario para fabricar muchos de los motores eléctricos y sistemas de baterías avanzados en sistemas de propulsión híbridos. [102] [103] El neodimio es otro metal de tierras raras que es un ingrediente crucial en los imanes de alta resistencia que se encuentran en los motores eléctricos de imanes permanentes. [104]
Casi todos los elementos de tierras raras del mundo provienen de China, [105] y muchos analistas creen que un aumento general en la fabricación de productos electrónicos chinos consumirá todo este suministro para 2012. [102] Además, las cuotas de exportación de elementos de tierras raras chinos han dado como resultado una cantidad desconocida de suministro. [103] [106]
Actualmente se encuentran en desarrollo algunas fuentes no chinas, como el proyecto avanzado del lago Hoidas en el norte de Canadá y el de Mount Weld en Australia; [106] sin embargo, las barreras de entrada son altas [107] y se necesitan años para ponerlas en funcionamiento.
Los vehículos híbridos eléctricos (HEV) combinan las ventajas de los motores de gasolina y los motores eléctricos. Las áreas clave para mejorar la eficiencia o el rendimiento son el frenado regenerativo, las fuentes de energía duales y la reducción del ralentí. [108]
Otros tipos de vehículos ecológicos incluyen otros vehículos que funcionan total o parcialmente con fuentes de energía alternativas a los combustibles fósiles . Otra opción es utilizar una composición de combustible alternativo (es decir, biocombustibles ) en vehículos convencionales basados en combustibles fósiles, lo que hace que funcionen parcialmente con fuentes de energía renovables.
Otros enfoques incluyen el tránsito rápido personal , un concepto de transporte público que ofrece transporte automatizado, a pedido y sin escalas, en una red de vías especialmente construidas.
Los fabricantes de automóviles gastan alrededor de 8 millones de dólares estadounidenses en la comercialización de vehículos híbridos cada año. Con el esfuerzo combinado de muchas compañías automovilísticas, la industria de los híbridos ha vendido millones de vehículos híbridos. [ cita requerida ]
Las compañías de automóviles híbridos como Toyota, Honda, Ford y BMW se han unido para crear un movimiento de ventas de vehículos híbridos impulsado por los grupos de presión de Washington para reducir las emisiones mundiales y depender menos de nuestro consumo de petróleo. [ cita requerida ]
En 2005, las ventas superaron los 200.000 híbridos, pero en retrospectiva eso solo redujo el uso global de consumo de gasolina en 200.000 galones por día, una pequeña fracción de los 360 millones de galones utilizados por día. [ cita requerida ] Según Bradley Berman, autor de Driving Change—One Hybrid at a time , "la economía fría muestra que en dólares reales, a excepción de un breve aumento en la década de 1970, los precios de la gasolina se han mantenido notablemente estables y baratos. El combustible continúa representando una pequeña parte del costo general de poseer y operar un vehículo personal". [109] Otras tácticas de marketing incluyen el lavado verde , que es la "apropiación injustificada de la virtud ambiental". [110] Temma Ehrenfeld lo explicó en un artículo de Newsweek. Los híbridos pueden ser más eficientes que muchos otros motores de gasolina en lo que respecta al consumo de gasolina, pero en lo que respecta a ser ecológicos y buenos para el medio ambiente es completamente inexacto.
Las empresas de coches híbridos tienen mucho tiempo por delante si quieren convertirse en empresas realmente ecológicas. Según el profesor de negocios de Harvard Theodore Levitt, para "gestionar productos" y "satisfacer las necesidades de los clientes", "hay que adaptarse a las expectativas de los consumidores y a la anticipación de sus deseos futuros". [111] Esto significa que la gente compra lo que quiere; si quiere un coche de bajo consumo de combustible, compra un híbrido sin pensar en la eficiencia real del producto. Esta "miopía ecológica", como la llama Ottman, fracasa porque los responsables de marketing se centran en la ecología del producto y no en su eficacia real.
Los investigadores y analistas afirman que la gente se siente atraída por la nueva tecnología, así como por la comodidad de tener que repostar menos combustible. En segundo lugar, la gente encuentra gratificante poseer un coche mejor, más nuevo, más llamativo y, por así decirlo, más ecológico.
En 2019, el término híbrido autocargable se hizo común en la publicidad, aunque los automóviles a los que se hace referencia con este nombre no ofrecen ninguna funcionalidad diferente a la que brinda un vehículo eléctrico híbrido estándar . El único efecto de autocarga es la recuperación de energía a través del frenado regenerativo, lo que también es cierto para los híbridos enchufables , los vehículos eléctricos de pila de combustible y los vehículos eléctricos de batería. [112]
En enero de 2020, el uso de este término fue prohibido en Noruega por publicidad engañosa de Toyota y Lexus . [113] "Nuestra afirmación se basa en el hecho de que los clientes nunca tienen que cargar la batería de su vehículo, ya que se recarga durante el uso del mismo. No hay intención de engañar a los clientes, al contrario: se trata de explicar claramente la diferencia con los vehículos híbridos enchufables".
Si bien la tasa de adopción de híbridos en los EE. UU. es pequeña hoy (2,2% de las ventas de autos nuevos en 2011), [114] esto se compara con una participación del 17,1% de las ventas de autos nuevos en Japón en 2011, [115] y tiene el potencial de ser muy grande con el tiempo a medida que se ofrezcan más modelos y los costos incrementales disminuyan debido a los beneficios de aprendizaje y escala. Sin embargo, los pronósticos varían ampliamente. Por ejemplo, Bob Lutz , un escéptico de los híbridos desde hace mucho tiempo, indicó que espera que los híbridos "nunca comprendan más del 10% del mercado automotor estadounidense". [116] Otras fuentes también esperan que las tasas de penetración de híbridos en los EE. UU. se mantengan por debajo del 10% durante muchos años. [117] [118] [119]
En 2006, las visiones más optimistas incluían predicciones de que los híbridos dominarían las ventas de automóviles nuevos en los Estados Unidos y en otros lugares durante los próximos 10 a 20 años. [120] Otro enfoque, adoptado por Saurin Shah, examina las tasas de penetración (o curvas S) de cuatro análogos (históricos y actuales) de los vehículos híbridos y eléctricos en un intento de medir la rapidez con la que el parque de vehículos podría hibridarse y/o electrificarse en los Estados Unidos. Los análogos son (1) los motores eléctricos en las fábricas estadounidenses a principios del siglo XX, (2) las locomotoras diésel-eléctricas en los ferrocarriles estadounidenses en el período 1920-1945, (3) una gama de nuevas características y tecnologías automotrices introducidas en los Estados Unidos durante los últimos cincuenta años, y 4) las compras de bicicletas eléctricas en China durante los últimos años. Estos análogos en conjunto sugieren que se necesitarían al menos 30 años para que los vehículos híbridos y eléctricos capturaran el 80% del parque de vehículos de pasajeros de los Estados Unidos. [121]
La EPA espera que la participación de mercado combinada de los nuevos vehículos ligeros híbridos de gasolina alcance el 13,6 % para el año modelo 2023, desde el 10,2 % en el año modelo 2022. [122]
El Parlamento Europeo, el Consejo y la Comisión Europea han llegado a un acuerdo cuyo objetivo es reducir las emisiones medias de CO2 de los turismos a 95 g/km en 2020, según un comunicado de prensa de la Comisión Europea.
Según el comunicado, los detalles clave del acuerdo son los siguientes:
Objetivo de emisiones: El acuerdo reducirá las emisiones medias de CO2 de los coches nuevos a 95 g/km a partir de 2020, tal y como ha propuesto la Comisión. Se trata de una reducción del 40% con respecto al objetivo obligatorio de 2015 de 130 g/km. El objetivo es una media para la flota de coches nuevos de cada fabricante; permite a los fabricantes de equipos originales fabricar algunos vehículos que emitan menos que la media y otros que emitan más. Objetivo para 2025: La Comisión debe proponer un nuevo objetivo de reducción de emisiones para finales de 2015 que entre en vigor en 2025. Este objetivo estará en consonancia con los objetivos climáticos a largo plazo de la UE. Supercréditos para vehículos de bajas emisiones: El Reglamento dará a los fabricantes incentivos adicionales para producir coches con emisiones de CO2 de 50 g/km o menos (que serán coches eléctricos o híbridos enchufables). Cada uno de estos vehículos se contabilizará como dos vehículos en 2020, 1,67 en 2021, 1,33 en 2022 y, a partir de 2023, como un solo vehículo. Estos supercréditos ayudarán a los fabricantes a reducir aún más las emisiones medias de su flota de vehículos nuevos. Sin embargo, para evitar que el plan socave la integridad medioambiental de la legislación, habrá un límite de 2,5 g/km por fabricante en la contribución que los supercréditos pueden hacer a su objetivo en cualquier año. [123]
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