"Aspectos a considerar en la tecnología de Buses Eléctricos" - Jaime Alée - Universidad de Chile - DTPM

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"Aspectos a considerar en la tecnología de Buses Eléctricos" - Jaime Alée - Universidad de Chile - DTPM
"Aspectos a considerar
en la tecnología de Buses
        Eléctricos”

Jaime Alée – Universidad de Chile
jalee@ing.uchile.cl

Agosto, 2017
www.centroenergía.cl
Conversión de Energía, Almacenamiento y Electromovilidad
"Aspectos a considerar en la tecnología de Buses Eléctricos" - Jaime Alée - Universidad de Chile - DTPM
Aspectos a considerar en la tecnología de Buses Eléctricos
          EVOLUCIÓN DEL TRANSPORTE ELÉCTRICO

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Aspectos a considerar en la tecnología de Buses Eléctricos
          VEHÍCULO DE COMBUSTIÓN INTERNA VERSUS FULL ELÉCTRICO

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Aspectos a considerar en la tecnología de Buses Eléctricos
          ¿CÓMPONENTES DE LOS VEHÍCULOS ELÉCTRICOS?

                                                                            Baterías

                                                                                  Electrónica
                                                                                  de
                                                                                  Potencia
                                                                       VE
                                                                                  Motor
                                                                                  Eléctrico

                                                                            Cargador
                                                                            de baterías

Ignacio Polanco CE U Chile
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Aspectos a considerar en la tecnología de Buses Eléctricos
          SISTEMAS DE CARGA

          Compensación de tamaño y costo de batería (rango) versus dependencia de instalaciones de cargadores en la ruta

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Aspectos a considerar en la tecnología de Buses Eléctricos
          EL PRINCIPAL DESAFÍO TECNOLÓGICO ES … LA BATERÍA

                                                            BUS ELECTRICO
                                             CONSUMO ENERGETICO DE ELECTRICIDAD
                                             UNA SEMANA EQUIVALENTE AL CONSUMO
                                             ELECTRICO DE UNA CASA EN UN AÑO.

                           HAY QUE ALMACENAR EN LA BATERIA DEL BUS PARA UN DIA DE OPERACIÓN EL
                                 EQUIVALENTE AL CONSUMO DE CASI DOS MESES DE UNA CASA

                          COMO HACER UNA BATERIA DE ESAS CARACTERISTICAS QUE SEA ECONOMICA, QUE SEA
                                 LIVIANA, QUE SEA SEGURA, QUE SE CARGUE EN POCOS MINUTOS ..?

                                              ¡¡EQUIVALE A MAS DE 20 MIL NOTEBOOKS!!

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Aspectos a considerar en la tecnología de Buses Eléctricos
          **QUÍMICA DE BATERÍAS Y TENDENCIAS**

                                                        Co                                                                • CICLOS DE CARGA
                                                                                                                          • DENSIDAD ENERGETICA
                                                       LCO

                                                                                           Región de alta estabiliad
                                                      Reversibilidad

                                                                                                        Alta capacidad
                                                       NCM 1-1-1
                                                                  NCM 5-2-3                                    +
                                      Seguridad   NCM 4-2-4              Capacidad   NCA
                                                                NCM 6-2-2
                                                                            NCM 8-1-1                    Estabilidad
                         LMO
                  Mn                                                                             Ni

                               Región de bajo costo
                                                                                                              NCM: la batería más popular hoy en día

                                                                                Evolución tecnológica
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Aspectos a considerar en la tecnología de Buses Eléctricos
          EL PACK O BATERÍA DE UN BUS ELÉCTRICO

                                            CELDAS                               MODULO

                                      EMPAQUETAMIENTO                             PACK

                                                                                     >100 CELDAS

                                                         Evolución tecnológica
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Aspectos a considerar en la tecnología de Buses Eléctricos
          **EFECTO DE TEMPERATURA EN BATERÍAS**

                                                     Vida Calendario                         Ciclo de Vida

                           Impacto de la
                                                             Altas temperaturas disminuyen la vida
                            Temperatura
                                                      Voltaje / SOC                              DOD
                                           Un voltaje más bajo es mejor para la
                              Impacto                                             La vida de ciclo tiene una elación
                                           vida de la batería. Las celdas no se
                             SOC / DOD                                            fuerte con la profundidad de
                                           almacenan a SOC completo antes de
                                                                                  descarga: cuanto más bajo es el
                                           ser ensambladas en un paquete de
                                                                                  DOD, más larga es la vida de ciclo.
                                           baterías
                          USABC / metas               15 años PHEV                 1000 a 80% DOD, 1600 a 50% DOD,
                              DoE                      10 años BEV                          2670 a 30% DOD

                                                     Complejidades de la batería
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Aspectos a considerar en la tecnología de Buses Eléctricos
          ADQUISICIÓN DE FLOTA - CAMBIO TECNOLÓGICO

                     La adquisición de una flota de buses eléctricos no es sólo una decisión de compra de
                     buses , sino que la opción por una tecnología muy distinta a lo tradicional , la cual es
                                      emergente con muchas posibilidades de evolución.

                 El cambio tecnológico
                 es muy relevante y
                 no debe tomarse a la
                 ligera..

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Aspectos a considerar en la tecnología de Buses Eléctricos
          FACTORES A CONSIDERAR

                                              RIESGO/FACTOR                                    EFECTOS POTENCIALES                  MITIGACIÓN(*)

                                        RIESGO DE EVOLUCIÓN                                     Obsolescencia, soporte,          Contrato de evolución
    Sobre tecnología
                                      TECNOLÓGICA ACELERADA                                     depreciación acelerada                tecnológica

                                                                                                                                Contrato de protección
                                      RIESGO DE PRODUCCIÓN O
    Sobre Proveedor                                                                          Plazos, soporte, M&A, quiebra      empresarial innovación
                                            FINANCIERO
                                                                                                                                      temprana
                                              RIESGO DE                                       Error en la evaluación por
                                                                                                                              Evaluación técnica y pruebas
  Sobre Capex & Opex                      RENTABILIDAD DE LA                                  desconocimiento sutilezas
                                                                                                                                       rigurosas
                                              OPERACIÓN                                        tecnologías emergentes
                                     RIESGO DE INCAPACIDAD DE
  Sobre Soporte post                                                                     Incapacidad de proveer servicio     Contrato de riesgo compartido
                                       CUMPLIR CONTRATO DE
        venta                                                                                 necesario y a tiempo               tecnología emergente
                                            CONCESION
                                                                                               Modalidad elegida puede
  Sobre modalidad de                    RIESGO DE ATADURA VS                                                                     Evaluación rigurosa de
                                                                                                comprometer futuro
     transferencia                       MINIMIZAR RIESGOS                                                                   escenarios técnico-económicos
                                                                                                   impredecible

(*) la terminología es propia y representa un tipo de acción representativa de mitigación.
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Aspectos a considerar en la tecnología de Buses Eléctricos
          FACTORES A CONSIDERAR
                                                            Tecnología ofrecida
                                                            Homologación tecnológica
                                                            Actualización tecnológica
                                      TECNOLOGÍA            Pruebas de aceptación en Fábrica
                                                            Personalización
                                                            Seguridad
                                                            Experiencia y reputación del Proveedor

                                      PROVEEDOR             Capacidad de producción y entrega
                                                            Capacidad Financiera
                                                            Precio total de la Unidad
                                      CAPEX Y OPEX          Costo de Mantención y Garantías
                                                            Pruebas de aceptación locales
                                                            Servicios Locales o Regionales

                             SOPORTE POST VENTA             Instalaciones de mantención regionales
                                                            Entrenamiento local
                                                            Estandarización de mejoras
                                                            Segundo uso baterías
                     MODALIDAD DE TRANSFERENCIA             Financiamiento o arriendo o leasing (total/parcial)

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Aspectos a considerar en la tecnología de Buses Eléctricos
          FACTORES A CONSIDERAR
                                                            Tecnología ofrecida
                                                            Homologación tecnológica
                                                            Actualización tecnológica
                                      TECNOLOGÍA            Pruebas de aceptación en Fábrica
                                                            Personalización
                                                            Seguridad
                                                            Experiencia y reputación del Proveedor

                                      PROVEEDOR             Capacidad de producción y entrega
                                                            Capacidad Financiera
                                                            Precio total de la Unidad
                                      CAPEX Y OPEX          Costo de Mantención y Garantías
                                                            Pruebas de aceptación locales
                                                            Servicios Locales o Regionales

                             SOPORTE POST VENTA             Instalaciones de mantención regionales
                                                            Entrenamiento local
                                                            Estandarización de mejoras
                                                            Segundo uso baterías
                     MODALIDAD DE TRANSFERENCIA             Financiamiento o arriendo o leasing (total/parcial)

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          TECNOLOGÍA OFRECIDA

                                                                   •   Arquitectura de la celda y química empleada
               En un bus eléctrico, es                             •   Modularidad y acceso a servicios a la batería
            necesario analizar el diseño                           •   Localización del motos o motores
                                                                   •   Sistemas de control y automatización
             técnico y la tecnología de                            •   Certificación y estandarización del proveedor de celdas
          baterías ofrecida para entender                          •   Soporte de capacitación y transferencia tecnológica
                 si existe riesgo de                               •   Manuales y personal de soporte técnico disponible
                                                                   •   Tipo de necesidad de carga y propiedad de protocolos
              obsolescencia acelerada                              •   Necesidades especiales de instalaciones de carga

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          HOMOLOGACIÓN TECNOLÓGICA

          En un bus eléctrico, sin normas
          estándares a nivel mundial, hay
                                                                   • Certificaciones en los grandes mercados (japon, Usa, Europa)
            versiones para Europa, para                            • Certificación de batería y proveedor
           EEUU, para países del tercer
                    mundo, etc

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          **NORMAS DE ESPECIFICACIÓN**

                                                        TESLA P100D 2017
                                                         Batería 100 KWh
                                                    CICLO DE HOMOLOGACION

                             Europa (NEDC)                             EEUU (EPA)
                             613 kms de autonomía                      503 kms de autonomía

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          EVOLUCIÓN TECNOLÓGICA

           En un bus eléctrico, es prácticamente
           seguro que sus versiones de baterías,
            de inteligencia computacional y de                     •   Garantía de upgrade de partes claves
           diseño cambiarán varias veces en los                    •   Devaluación asegurada
              próximos 10 años . Todas ellas                       •   Opción de re-compra
               mejorarán la performance del                        •   Precio especial de renovación
                                                                   •   Riesgo compartido
                         vehículo.
                                                                   •   Seguro de soporte por X años
                Ello implica obsolescencia
              tecnológica, soporte incierto y
            eventual desvalorización acelerada.

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          **RIESGO EVOLUCIÓN TECNOLÓGICA ACELERADA**

                                                               6 AÑOS

                             NISSAN LEAF 2012                                         NISSAN LEAF 2018

                        AÑO             2012         2016              2018       Todo por la Ciencia C13 2012
                        AUTONOMIA       130 kms      200 kms           420 kms

                        BATERÍA         24 KWh       30 KWh            80KWh

                        PRECIO US$      32-34        32-34             32-36

                        NOVEDAD                                        autónomo     https://youtu.be/wt0Nq-72DcQ

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          PRUEBAS EN FÁBRICA

                Hay que desarrollar un
                                                                   •   Diseño de protocolo
               protocolo de inspección y                           •   Generar equipo de inspección y pruebas
               pruebas en fábrica para la                          •   On the job training
                primera unidad a fin de                            •   Especificar condiciones de aceptación
                                                                   •   Fechas y procesos de pruebas
               verificar cumplimiento de
                    especificaciones

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          PERSONALIZACIÓN

              Condiciones propias de
              Santiago (alto desnivel)                             •   Especificaciones especiales
                                                                   •   Modelamiento
          requiere algunas mejoras en las                          •   Sensores especiales
            baterías (W-E) so riesgo de                            •   Supervisión on line
             sobredimensión o rápido
                     deteriorio

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          **RANGO DE USO EN ELECTROMOVILIDAD**

                                                                       Comparación de rango en distintas
                                                                       pruebas de campo

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          **FACTORES QUE AFECTAN LA AUTONOMÍA**

                                                                               • Efectividad del conductor al usar la inercia del vehículo
                      • MODO DE CONDUCCIÓN                                     • Pericia en el uso del freno regenerativo
                      30% del consumo energético                               • Tacto del acelerador

                      • CLIMA                                                  • Gradiente térmico entre Temperatura exterior y de
                                                                                 confort interna

                      • OROGRAFÍA                                              • Cuanto mayor sea el desnivel en el recorrido, y a mayor
                                                                                 porcentaje de pendiente, el consumo energético será
                                                                                 mayor.

https://www.fenercom.com/pdf/publicaciones/Guia-del-Vehiculo-Electrico-II-fenercom-2015.pdf
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          SEGURIDAD

                                                                   •   Análisis de seguridad
                                                                   •   Certificaciones estándares y rigor/calidad de las mismas
              Las baterías son elementos                           •   Entrenamiento ante accidentes
               delicados que pueden ser                            •   Calidad de manuales y protecciones
              peligrosos ante choques o
          siniestros por desorden público
          , igualmente el sistema eléctrico
          debe ser protegido para trabajo
                    de mantención

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                **TEST Y ESTÁNDARES - BATERÍAS EN APLICACIONES AUTOMOTRICES**

Renewable and Sustainable Energy Reviews
A review of international abuse testing standards and regulations for lithium ion batteries in electric and hybrid electric vehicles

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          FACTORES A CONSIDERAR
                                                            Tecnología ofrecida
                                                            Homologación tecnológica
                                                            Actualización tecnológica
                                      TECNOLOGÍA            Pruebas de aceptación en Fábrica
                                                            Personalización
                                                            Seguridad
                                                            Experiencia y reputación del Proveedor

                                      PROVEEDOR             Capacidad de producción y entrega
                                                            Capacidad Financiera
                                                            Precio total de la Unidad
                                      CAPEX Y OPEX          Costo de Mantención y Garantías
                                                            Pruebas de aceptación locales
                                                            Servicios Locales o Regionales

                             SOPORTE POST VENTA             Instalaciones de mantención regionales
                                                            Entrenamiento local
                                                            Estandarización de mejoras
                                                            Segundo uso baterías
                     MODALIDAD DE TRANSFERENCIA             Financiamiento o arriendo o leasing (total/parcial)

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          EXPERIENCIA Y REPUTACIÓN DEL PROVEEDOR

              En un proveedor de buses                             •   Obtención de evidencias
           eléctricos, no hay un registro o                        •   Condiciones y reputación de la fábrica
                referencias de clientes                            •   Garantías de sustentabilidad de la empresa
                                                                   •   Verificar fábrica y capacidad de producción
             suficientes , salvo proyectos                         •   Análisis estratégico
            pilotos o clientes cautivos del                        •   Garantía del país
                    país fabricante.                               •   Inventario en operación

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          FACTORES A CONSIDERAR
                                                            Tecnología ofrecida
                                                            Homologación tecnológica
                                                            Actualización tecnológica
                                      TECNOLOGÍA            Pruebas de aceptación en Fábrica
                                                            Personalización
                                                            Seguridad
                                                            Experiencia y reputación del Proveedor

                                      PROVEEDOR             Capacidad de producción y entrega
                                                            Capacidad Financiera
                                                            Precio total de la Unidad
                                      CAPEX Y OPEX          Costo de Mantención y Garantías
                                                            Pruebas de aceptación locales
                                                            Servicios Locales o Regionales

                             SOPORTE POST VENTA             Instalaciones de mantención regionales
                                                            Entrenamiento local
                                                            Estandarización de mejoras
                                                            Segundo uso baterías
                     MODALIDAD DE TRANSFERENCIA             Financiamiento o arriendo o leasing (total/parcial)

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          PRECIO DE LA UNIDAD

            En un Bus eléctrico el precio                          •   Precio básico
                                                                   •   Precio opcionales
           tiene letras chicas debido a la                         •   Precio puesta en servicio (training, capacitación, etc)
           incerteza tecnológica, la poca                          •   Precio batería según rango
          experiencia y a las expectativas                         •   Precio instrumentación y elementos ad-hoc
                                                                   •   Precio repuestos elementos claves
                     del usuario.                                  •   Precio instalación de sistema(s) de carga

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          COSTOS DE MANTENCIÓN Y GARANTÍAS

             En un Bus eléctrico el principal
          problema es la falla/reparación del                          •   Garantía de la Batería y condiciones
                                                                       •   Opción de reposición de partes y piezas de la batería
          sistema de baterías (alto porcentaje                         •   Opciones locales de reposición
            del costo del bus) , sus sistemas                          •   Costo de repuestos de rápido acceso
             computacionales (necesidades                              •   Costo de personal y equipamiento local operador
           expertas) e instrumentos de taller                          •   Costo de instrumental
           además de la rápida obsolescencia                           •   Entrenamiento y personal
                       tecnológica                                     •   Acceso a planos y manuales

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          **LETRA CHICA EN GARANTÍAS**

                                                    Garantía de baterías                                     +

               • El Rango de uso de la batería es un 80% o menos (ventana de uso): 10%-90%
               • La batería tiene un límite de ciclos de vida (cargas completas) antes que se esté bajo
                 el límite superior . Bajo éste nivel, la batería se considera inútil para el uso en el
                 vehículo                                                                                   80%
               • Los rangos pueden llegar a ser 3000 ciclos o mas en un bus (3.000 cargas)

               Las Garantías tienen letras chicas, normalmente se expresan en Kms y/ tiempo:                 -

               • Garantizan la caída de rango por desgaste en el tiempo más allá de un limite (p.ej si el
                 rango cae más de un 40% en el periodo)
               • Limitan el tiempo sin cargar a un máximo de meses.
               • Uso en climas fríos desgasta más la batería
               • Normalmente están asociadas a un rango inferior al máximo (Garantizan un rango en
                 kms inferior al nominal)

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          FACTORES A CONSIDERAR
                                                            Tecnología ofrecida
                                                            Homologación tecnológica
                                                            Actualización tecnológica
                                      TECNOLOGÍA            Pruebas de aceptación en Fábrica
                                                            Personalización
                                                            Seguridad
                                                            Experiencia y reputación del Proveedor

                                      PROVEEDOR             Capacidad de producción y entrega
                                                            Capacidad Financiera
                                                            Precio total de la Unidad
                                      CAPEX Y OPEX          Costo de Mantención y Garantías
                                                            Pruebas de aceptación locales
                                                            Servicios Locales o Regionales

                             SOPORTE POST VENTA             Instalaciones de mantención regionales
                                                            Entrenamiento local
                                                            Estandarización de mejoras
                                                            Segundo uso baterías
                     MODALIDAD DE TRANSFERENCIA             Financiamiento o arriendo o leasing (total/parcial)

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Aspectos a considerar en la tecnología de Buses Eléctricos
          **CADENA DE SERVICIOS CLAVES PARA BUSES ELÉCTRICOS**

                                                  100

                                                   90
                                                                 Electricidad
                                                   80
                                                                                                                           Diseño
                                                   70
                                                                                                                           Quimica
                                                   60
                                 Título del eje

                                                                                                                           IoT
                                                                                                                           Computación
                                                   50
                                                                 Mecánica                  Electricidad
                                                                                                                           Electrónica
                                                   40
                                                                                                                           Electricidad
                                                   30                                                                      Mecanica

                                                   20

                                                   10                                      Mecánica
                                                    0
                                                                 Bus Diesel               Bus Electrico
                                                        ESPECIALIDADES QUE PARTICIPAN EN EL DISEÑO Y MANTENCIÓN DE BUSES

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          **CADENA DE SERVICIOS CLAVES PARA BUSES ELÉCTRICOS**

                                                                       •   BATERÍAS
                                                                       •   ELECTRÓNICA DE POTENCIA
                       • ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA                    •   MICRO-REDES Y DISTRIBUCIÓN ELECTRICA
                                                                       •   CARGADORES ELECTRICOS
                                                                       •   MOTORES ELECTRICOS
                                                                       •   SENSORES

                                                                       •   SISTEMAS COMPUTACIONALES AUTOMOTRICES
                                                                       •   SOFTWARE
                       • TECNOLOGIAS DE INFORMACIÓN                    •   SISTEMAS DE MODELAMIENTO
                                                                       •   ANALISIS DE DATOS

                                                                       • ESTRUCTURA
                       • MECÁNICA                                      • SISTEMA DE SUSPENSION, FRENOS, ETC
                                                                       • CHASIS Y DIRECCIÓN

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          FACTORES A CONSIDERAR
                                                            Tecnología ofrecida
                                                            Homologación tecnológica
                                                            Actualización tecnológica
                                      TECNOLOGÍA            Pruebas de aceptación en Fábrica
                                                            Personalización
                                                            Seguridad
                                                            Experiencia y reputación del Proveedor

                                      PROVEEDOR             Capacidad de producción y entrega
                                                            Capacidad Financiera
                                                            Precio total de la Unidad
                                      CAPEX Y OPEX          Costo de Mantención y Garantías
                                                            Pruebas de aceptación locales
                                                            Servicios Locales o Regionales

                             SOPORTE POST VENTA             Instalaciones de mantención regionales
                                                            Entrenamiento local
                                                            Estandarización de mejoras
                                                            Segundo uso baterías
                     MODALIDAD DE TRANSFERENCIA             Financiamiento o arriendo o leasing (total/parcial)

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          FINANCIAMIENTO/ARRIENDO/LEASING TOTAL/PARCIAL

          Es posible transferir riesgos si
                                                                       •   Costo del financiamiento
          el operador arrienda el bus con                              •   Condiciones en cada caso
           todo el soporte incluido. Otra                              •   Costos de mantención serán aumentados
          opción es arrendar la batería y                              •   Cliente cautivo
                                                                       •   Análisis estratégico
          comprar el resto del bus. Todo                               •   Indicadores de calidad back to back
                ello tiene ventajas y                                  •   Buses de respaldo
                     desventajas

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Aspectos a considerar en la tecnología de Buses Eléctricos
         **SEGUNDO USO PARA BATERÍAS**

                                             Servicio                  Evaluación de
                                            Automotriz                    baterias

                                                                                          SEGUNDO USO
                                            Fabricación                 Reutilización

                                                                           Segunda
                                               Reciclaje
                                                                      aplicación de uso

http://www.nrel.gov/transportation/energystorage/use.html
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Aspectos a considerar en la tecnología de Buses Eléctricos
          **MODELO INDIO ARRIENDO BATERIAS**

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Aspectos a considerar en la tecnología de Buses Eléctricos
          ADQUISICIÓN DE FLOTA - CAMBIO TECNOLÓGICO

                     La adquisición de una flota de buses eléctricos no es sólo una decisión de compra de
                     buses , sino que la opción por una tecnología muy distinta a lo tradicional , la cual es
                                      emergente con muchas posibilidades de evolución.

                 El cambio tecnológico
                 es muy relevante y
                 no debe tomarse a la
                 ligera..

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… GRACIAS

Jaime Alée – Universidad de Chile
jalee@ing.uchile.cl

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Conversión de Energía, Almacenamiento y Electromovilidad
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