Autor: Jon Harper – Miembro del Equipo Técnico, Módulos y Discretos de SiC para la Industria, onsemi
El mercado de la movilidad se halla en plena transformación y a medida que se acelera la adopción de los vehículos eléctricos (VE) se revisa continuamente la previsiones de ventas. Aunque todavía representan un pequeño porcentaje del mercado total, se estima que en 2025 se venderán hasta 10 millones de VE y que más del 50% de todos los vehículos vendidos serán eléctricos en 2050. La mayoría de estos vehículos se cargarán lentamente cuando estén aparcados durante la noche en una plaza privada y se conecten a un cargador de pared. Algunos se cargarán con más rapidez en los puntos de carga instalados en las calles, mientras que la carga superrápida estará disponible en las gasolineras del futuro. Dado que habrá muchos puntos de carga funcionando al mismo tiempo, habrá grandes picos de demanda en la red eléctrica y, sin una fuerte inversión en líneas de transmisión y centrales eléctricas que proporcionen la capacidad suficiente, el colapso en algunos tramos de la red se podría convertir en algo habitual. En este artículo revisaremos el estado actual de la carga de VE y evaluaremos los niveles de demanda eléctrica que podría crear en un futuro no tan lejano. Luego estudiaremos cómo cubrir esta demanda de forma práctica, sostenible y viable comercialmente.
La carga del VE en la actualidad
La infraestructura de carga de CA usada en las actuales instalaciones públicas y privadas varía en función de la potencia que suministra. Los cargadores de CA de nivel 1 funcionan a 120 V (2 kW como máximo) mientras que los cargadores de nivel 2 funcionan a 240 V y suministran hasta 20 kW de potencia. En ambos casos, la conversión de CA a CC tiene lugar en el cargador instalado a bordo del vehículo en lugar del cargador de pared (que asume sobre todo las funciones de protección y medición). Debido a las limitaciones de coste, tamaño y peso, el cargador que incorpora el coche suele tener una potencia inferior a 20 kW. Si se utilizara CC en lugar de CA, la carga se podría realizar con niveles de potencia mucho más elevados. Los cargadores de CC de nivel 3 llegan hasta 450 V
(150 kW como máximo) y los supercargadores más recientes llegan gasta 800 V (350 kW como máximo). Por razones de seguridad, la tensión máxima se ha limitado a 1000 V cuando el vehículo está conectado. En la carga de CC, la conversión se realiza en el cargador conectado directamente a la batería del coche. De esta manera se elimina la necesidad de que el vehículo incorpore un cargador a bordo, por lo que es más ligero e incrementa la cantidad de espacio disponible.
Demanda futura
A medida que aumenta el número de VE en circulación, los conductores quieren cargar sus coches en menos tiempo. Pensemos en una hipotética carga que podría hacerse realidad en menos de 10 años. Una estación de carga junto a la carretera tiene cinco cargadores de CC de manera que se pueden recargar cinco coches al mismo tiempo. Si cada coche tiene una batería de 100 kWh que ya está cargada en el 25% y su conductor desea cargarla hasta el 75% en 15 minutos, la potencia total que debe suministrar la red a la estación de carga es:
5 * (75%-25%) *100 kWh/0,25h = 1MW
La red eléctrica que abastece la estación de carga tendría que ser capaz de asumir estos picos intermitentes de 1 MW, lo cual tiene varias consecuencias sobre la infraestructura de suministro eléctrico. Se necesitarían complejas etapas de corrección activa del factor de potencia con una alta eficiencia para asegurar que la frecuencia de la red eléctrica no se vea afectada y siga siendo estable y eficiente. También harían falta costosos transformadores para conectar la estación de carga de baja tensión a la red de tensión más alta y los cables que transportan la electricidad entre la central eléctrica y la estación de carga deberían estar dimensionados para asumir la corriente suministrada. En vehículos con baterías de mayor capacidad, los picos de potencia serían incluso superiores.
Energía solar para cubrir la diferencia
Una solución más sencilla y económica que evita instalar nuevas líneas de transmisión y grandes transformadores, consiste en utilizar la electricidad generada localmente mediante fuentes renovables como la energía solar o eólica. Estas fuentes de energía también son intermitentes por su propia naturaleza, pero si se gestionan cuidadosamente se podrían aprovechar para cubrir la demanda intermitente a la red por parte de la carga de los VE. El precio de la tecnología solar fotovoltaica ha descendido casi un 80% durante la pasada década, contribuyendo así al continuo crecimiento de los sistemas de energías renovables que a su vez se ven impulsados por la exigencia de reducir las emisiones de carbono. La energía solar representa en la actualidad menos del 5% de la electricidad generada en todo el mundo pero se prevé que crezca hasta representar más de un tercio en 2050. El crecimiento de la energía solar influye sobre la manera de producir y consumir la electricidad; las centrales eléctricas deberán gestionarse garantizando que la red no sufra por un exceso de demanda y que las personas consuman cada vez más electricidad producida en los sistemas solares residenciales instalados en sus hogares. Esto exigirá equilibrar debidamente el suministro centralizado y la producción localizada de energía renovable en función de la demanda variable de los clientes. Para la estación de carga de nuestro ejemplo, conectarla directamente a una subred alimentada por una instalación solar fotovoltaica capaz de suministrar 500 kW sólo necesitaría que la red suministrara 500 kW.
Equilibrio mediante reserva
Sin embargo, aprovechar la electricidad de una instalación fotovoltaica haría que solo se pudieran alcanzar las velocidades más rápidas de carga en horario diurno, cuando el sol brilla más; una propuesta insostenible. Una solución más realista consistiría en utilizar también un Sistema de Almacenamiento de Energía (Energy Storage System, ESS). Se trata del equivalente eléctrico a un depósito de almacenamiento de gas o gasolina que se puede usar en varias aplicaciones (domésticas e industriales). En una aplicación doméstica resultaría sencillo conectar un inversor fotovoltaico a una batería de almacenamiento que se cargue con luz solar durante el día y que pudiera utilizarse luego para cargar un VE por la noche. En un entorno industrial, la instalación del ESS se podría usar con diferentes propósitos: regular la electricidad procedente del sistema fotovoltaico y otras fuentes renovables o proporcionar una reserva si ocurre un corte de suministro, acabando así con la necesidad de generadores diésel. El uso del ESS también tiene sentido desde un punto de vista económico porque estos sistemas permiten modernizar o sustituir, gradualmente o a largo plazo, las líneas de transmisión existentes a medida que crezca la demanda de una carga más rápida de los VE. Se espera que el mercado para estos sistemas crezca con rapidez desde los 20 GWh actuales hasta superar los 2000 GWh en 2050. Para nuestra estación de carga, un ESS funcionaría como una gran batería capaz de almacenar y suministrar energía desde una instalación solar (u otras fuentes renovables) a los cargadores dependiendo se las necesidades, entregando cualquier exceso de energía a la red. Se escogería una ESS cuyo tamaño ofrecería el mejor equilibrio entre los picos de demanda y la capacidad de almacenamiento de energía (la proporción depende mucho de la cantidad de electricidad generada localmente, bien sea solar, eólica o de otro tipo, del número de cargadores y de las otras cargas conectadas en ese punto).
A medida que aumentan las ventas de VE, los conductores esperan poder cargar sus coches en menos tiempo y esto significa que crezca rápidamente la infraestructura de carga de VE. Un rápido análisis ha señalado que la red existente no está diseñada para asumir los picos intermitentes de la demanda que surgirán. Una combinación de instalaciones solares fotovoltaicas y sistemas de almacenamiento de energía pueden representar una alternativa realista y viable a la revisión de la infraestructura de la red que, de lo contrario, podría ser necesaria.
