Desde ahora y hasta 2040, Europa debe aplicar una serie de medidas prácticas para poder satisfacer los requisitos de máxima demanda que se derivarán de la adopción generalizada de los vehículos eléctricos. Teniendo esto en cuenta, ABB ha realizado un análisis en profundidad para anticipar las necesidades de energía eléctrica de las principales economías europeas. En este artículo se describen las recomendaciones de la empresa sobre el transporte y la distribución de energía eléctrica y los retos asociados al desarrollo de un transporte más limpio y eficiente en el uso de los recursos.
Thierry Lassus ABB Sécheron SA Power Grids – Segment Transportation Geneva, Switzerland, thierry.lassus@ch.abb.com; Alexandre Oudalov, Adrian Timbus Power Grids Business Zurich, Switzerland, alexandre.oudalov@ch.abb.com, adrian.timbus@ch.abb.com
Desde la época de nuestros bisabuelos no ha habido una transformación del transporte como la que estamos viviendo hoy. Hace aproximadamente 120 años, la transición del caballo y el carro al vehículo motorizado apenas estaba en el horizonte, y sin embargo en 1908 en las calles de la ciudad de Nueva York ya había tantos automóviles (100. 000) como caballos.
Pero esa transformación no fue simplemente intercambiar un tipo de potencia motriz por otro; fue algomás profundo, se creó una infraestructura completamente nueva. Así, antes de que pudieran utilizarselos coches y los camiones, tuvo que desarrollarse e incrementarse la producción de asfalto; tuvieron que pavimentarse carreteras; tuvieron que desarrollarse un sistema de señales viales, marcas viales y normas de tráfico; tuvo que mejorarse la producción degasolina; y la propia sociedad tuvo que reorganizarse ya que los chicos de granja se convirtieron en ayudantes de gasolineras, carroceros para ingenieros; y los herreros, fabricantes de arneses, herradores y fabricantes de sillas pasaron a ser mecánicos y trabajadores de líneas de montaje.
En la actualidad, la sociedad se encuentra en las primeras etapas de un cambio de paradigma igual de profundo, un cambio que supondrá el paso de los motores de combustión interna alimentados por combustibles fósiles a la movilidad eléctrica. A medida que las personas, las empresas y los operadores de transporte público vayan adoptando progresivamente la e-movilidad como principal tecnología de transporte, será cada vez más necesario invertir en infraestructuras y tecnologías que promuevan y permitan esta transición, siendo la más importante de ellas cómo se proporcionará la energía necesaria para cargar los millones de nuevos vehículos eléctricos (VE) que pronto tomarán las carreteras →1.
Impulsando la transición
Hay tres tendencias principales que están impulsando la transición hacia la e-movilidad. La primera es la necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. En el contexto de la lucha por limitar el cambio climático, el Acuerdo de París, firmado en 2016 por 174 países, pretende limitar el aumento de la temperatura media mundial muy por debajo de 2°C sobre los niveles preindustriales. El sector del transporte, que hoy representa el 28 % de las emisiones de CO2 en Francia, por ejemplo, tendrá que reducir notablemente sus emisiones en un 29 % para 2028 en comparación con las cifras de 2015.
La segunda gran tendencia detrás de la demanda de movilidad eléctrica es la necesidad de reducir otros tipos de emisiones y contaminantes que son perjudiciales para la salud humana y la economía. La contaminación atmosférica por óxido de nitrógeno y partículas es en gran medida atribuible al sector del transporte. Según la Agencia Europea del Medio Ambiente, las partículas provocan 391 000 muertes prematuras al año [1]. El impacto económico de la contaminación atmosférica también es significativo: más de 100 mil millones de euros al año en costes asociados a seguros de salud y bajas por enfermedad, por no mencionar la reducción de la producción agrícola y la degradación de edificios, puentes, etc. como resultado de la exposición a estos contaminantes.
La tercera fuerza que impulsa la transición hacia la movilidad eléctrica es la necesidad de aumentar el atractivo y la viabilidad de las ciudades y regiones. Además de la contaminación atmosférica y acústica, la congestión en los centros urbanos se traduce en una pérdida de tiempo y productividad para los usuarios. Una mejor combinación de transporte público-privado, vehículos eléctricos autónomos y una gestión del tráfico cada vez más sincronizada y optimizada basada en tecnología "vehículo a infraestructura" reduciría estas tensiones y ayudaría a las ciudades a atraer a empresas, start-ups y personas creativas que demandan infraestructuras de transporte eficientes y un entorno saludable.
Los mercados de vehículos eléctricos y la red:creciendo juntos
Teniendo en cuenta las potentes fuerzas medioambientales, económicas y sociales que impulsan la demanda de un sistema de transporte basado en vehículos eléctricos alimentado por electricidad generada de una forma renovable, ABB ha llevado acabo un análisis en profundidad de múltiples escenarios para anticipar las necesidades de energía eléctrica de Alemania para los años 2020, 2030 y 2040, un periodo que probablemente estará marcado por la adopción progresiva de la e-movilidad. Se realizaron análisis adicionales para Francia y el Reino Unido.
El análisis de ABB indica que, aunque los sistemas de generación de energía existentes pueden responder en su mayoría a las necesidades de carga de los vehículos eléctricos, habrá casos - principalmente en picos de demanda en días en los que la generación de fuentes renovables es limitada - enlos que la demanda supere el suministro disponible o sobrecargue las redes de transporte y distribución existentes →2.
Para garantizar un servicio continuo y fiable, será necesario en muchos casos mejorar y ampliar las redes transfronterizas y regionales con el fin de facilitar el intercambio de energía generada de forma renovable en zonas geográficas que tengan patrones complementarios.
Por otra parte, existen varias soluciones que pueden limitar los posibles efectos negativos de la adopción masiva de la e-movilidad en las redes. Entre ellas hay soluciones que cambian la carga de los vehículos eléctricos a horas valle o a momentos en los que se prevé que haya un exceso de oferta de energía generada de forma renovable. Por ejemplo, los sistemas actuales de carga de autobuses eléctricos ya son capaces de gestionar la carga durante la noche en una cochera de manera que no todos los autobuses se carguen a la vez [2] →3, 4. No sería difícil aplicar técnicas similares a los sistemas de carga de otros vehículos. Un régimen de planificación reduciría el riesgo de sobrecargas provocadas por la modificación de los períodos tarifarios, aunque podría ser necesario ofrecer un incentivo financiero a los usuarios privados para que carguen sus vehículos por la noche, presumiblemente reduciendo el coste energético en las horas valle.
También es probable que los sistemas de almacenamiento de energía asuman un papel cada vez más importante en nuestros sistemas de energía eléctrica, especialmente a medida que crece la presión para desarrollar formas de almacenar la energía generada por fuentes renovables. A nivel de las redes de distribución locales, los sistemas de almacenamiento a pequeña escala permiten reducir considerablemente la carga inmediata de las redes, ya que permiten distribuir la transferencia de energía de la red en un intervalo más largo. Cada vez se están desarrollando más tecnologíasde almacenamiento, tanto a gran como a pequeña escala, o ya están saliendo al mercado. Además, se están estudiando soluciones que implican el uso de los conjuntos de baterías de los propios vehículos eléctricos como componentes de un sistema de almacenamiento de energía distribuido.Dado que los vehículos privados suelen estar estacionados y no en uso el 95 % del tiempo, existe cierta lógica en intentar utilizarlos como fuentes de energía de reserva a las que recurrir para dar soporte a la redeléctrica en momentos de máxima demanda. Esto requeriría el uso de una interfaz de carga bidireccional, un enfoque que podría reducir el coste total de propiedad de los vehículos eléctricos al permitir que los propietarios vendieran electricidad del vehículo a la red cuando quisieran.
Además, cuando un vehículo eléctrico llega al final de su vida útil, sus baterías podrían utilizarse para un fin secundario en aplicaciones estacionarias para proporcionar almacenamiento de energía y trasladar la demanda a horas valle.
Otra técnica que puede utilizarse para distribuir la carga de los vehículos se basa en la gestión centralizada de las estaciones de carga. Una central eléctrica virtual, o VPP, consiste en centralizar y optimizar el funcionamiento de una serie de activos. Una VPP puede integrar estaciones de carga, sitios de demanda, sitios de generación de energía y sistemas de almacenamiento de energía, y a continuación optimizar y priorizar el consumo en toda una gama de activos. El uso de esta plataforma permitió a Stadtwerke Trier, una compañía eléctrica de Alemania, garantizar que los VE se recargan utilizando exclusivamente electricidad renovable.
Recomendaciones clave
Debería ser posible modificar y fortalecer la actual infraestructura de generación, transporte y distribución local para satisfacer las necesidades del futuro sin incurrir en gastos o interrupciones indebidas. Con respecto a la generación, los desarrollos futuros no deben perder de vista la flexibilidad →3. Por ejemplo, a diferencia de las centrales de turbina de gas de ciclo combinado o las de carbón, las centrales de turbina de gas de ciclo abierto pueden ponerse en marcha y detenerse con poca antelación y con poco desgaste del equipo. Su flexibilidad las haría fundamentales en caso de que las centrales de carga base y las renovables necesitarán ser complementadas para satisfacer la máxima demanda.
Las redes de transporte seguirán expandiéndose en los próximos años, en gran medida ante el creciente perfil de las energías renovables. La digitalización de las redes eléctricas → 4 ya desempeña un papel fundamental en la revolución energética y se espera que asuma un papel aún más importante en el futuro. Las ampliaciones y el refuerzo de la red de transporte existente permitirán integrar las redes eléctricas y las nuevas fuentes renovables, así como una mayor versatilidad que permita dar soporte a nuevos patrones de demanda.
Las redes locales de distribución, en particular para las instalaciones comerciales, deberían mejorarse progresivamente para responder a la mayor demanda de los VE, especialmente en aquellos emplazamientos en los que previsiblemente deban recargar un gran número de VE.
Además, a medida que vayan surgiendo nuevas soluciones para el almacenamiento de energía, estas pueden implementarse estratégicamente para satisfacer las necesidades locales y regionales aligerando la carga de los sistemas de generación, transporte y distribución. Los responsables de la toma de decisiones deben seguir fomentando soluciones tecnológicas innovadoras que limiten el impacto global de las estaciones de carga en las redes eléctricas.
Perspectivas futuras
Un cambio gradual a la e-movilidad no sobrecargará repentinamente o drásticamente nuestros sistemas eléctricos existentes. En Alemania, por ejemplo, dependiendo de factores tales como el cambio de población, el índice de propiedad de automóviles, la distancia promedia de conducción y los kilómetros recorridos por vehículo, se prevé que la demanda adicional de electricidad asociada a los VE sea del 0,3 % en 2020 y entre el 10 y el 12 % en 2040. Si la penetración de los VE fuera del 100 % en todo el mundo, se prevé que la demanda total de electricidad aumentaría entre un 5 y un 20 % en distintos países para 2040.
En definitiva, la construcción de la infraestructura necesaria para recargar los millones de vehículos eléctricos que se espera que se construyan y vendan en las próximas décadas representa un desafío importante, pero no insuperable. Con una planificación y preparación adecuadas, debería ser posible crear esa infraestructura a un coste razonable, con interrupciones mínimas y de una manera que promueva la implantación rápida y ordenada de la e-movilidad.
Referencias
[1] https://www.eea.europa.eu/highlights/air-pollution-still-too-high
[2] F. Muehlon, “EV infrastructure innovation trough collaboration”, ABB Review 4/2019, pp. 38–43.
Un compromiso con la movilidad por tierra, mar y aire
ABB está trabajando activamente para responder a los retos que plantea la electrificación de la movilidad. Para ello, está invirtiendo mucho en temas de investigación y desarrollo orientados a mejorar constantemente la eficiencia energética de tecnologías de a bordo y en el interior del vehículo, así como de soluciones de carga. La empresa también está comprometida con la identificación y el desarrollo de nuevas oportunidades de servicios que ofrece la digitalización de los sistemas de transporte.
Tren de alta velocidad
ABB ha aportado tecnologías clave a todas las formas principales de transporte. En el sector ferroviario, los sistemas de ABB hicieron posible que el tren de alta velocidad TGV de Francia alcanzara un récord de 575 km/h en 2007. En 2012, en Filadelfia, la empresa implantó el primer sistema de recuperación de energía de frenado de trenes del mundo basado en el uso de almacenamientode energía en baterías ubicadas en el lateral de la vía. Y en 2016, ABB electrificó el túnel del Gotardo de Suiza, el túnel ferroviario más largo del mundo.
Carga rápida para autobuses, coches y barcos
Cuando se trata de transporte público y privado por carretera, la tecnología de ABB está ayudando a reducir las emisiones de CO2. Así, en estrecha colaboración con las autoridades locales, la empresa desarrolló el primer autobús eléctrico de Ginebra basado en su tecnología de recarga ultrarrápida “TOSA” (Trolleybus Optimisation SystemeAlimentation) [1]. La tecnología utiliza cargadores ultrarrápidos en los trayectos para recargar parcialmente las baterías y reducir así el tiempo de carga en las estaciones terminales. En 2014, ABB recibió un "smart Award" en la feria Smartgrid de París por esta tecnología. Desde entonces, ABB ha instalado una de las primeras estaciones de carga ultrarrápida (150 kW) para vehículos eléctricos en Estados Unidos, ha lanzado el primer autobús eléctrico de 24 metros del mundo basado en tecnología de carga ultrarrápida y es la primera empresa del mundo que ha instalado una estación de carga de 350 kW [2]. La empresa también ha creado el primer ferri 100 % eléctrico que ahora opera entre Dinamarca y Suecia. El ferri es capaz de cargarse en menos de 10 minutos en el muelle.
En 2016, en colaboración con Volvo Buses, ABB automatizó dos sistemas de carga rápida para prestar servicio a autobuses eléctricos en Namur, la capital de Valonia (Bélgica). Los sistemas se basan en una "carga de oportunidad! en la que, en lugar de devolver un autobús a la cochera para conectarlo a un cargador individual, el autobús se recarga por minutos cada vez que llega a una estación terminal. Esto permite que los autobuses puedan llevar un conjunto de baterías más pequeño y ligero, lo que aumenta la capacidad para pasajeros. Como no tienen que volver a la cochera para cargarse, los autobuses pueden hacer más trayectos. Desde entonces, ABB ha vendido 10 500 cargadores de alta velocidad de CC en 73 países de todo el mundo [3].
Vuelo eléctrico
Hace apenas unos años, ¿quién podía imaginar quese pudiera volar alrededor del mundo en un avión alimentado por energía solar? Solar Impulse hizo precisamente eso con la ayuda de ABB, resultado de una visión compartida entre dos aventureros y un equipo de ingenieros y científicos de ABB.
Referencias
[1] A. McCraw, “The electric bus - range is a matter of perspective”, ABB review 4/2019, pp. 24–28.
[2] http://www.abb.com/cawp/seitp202/45ecf5b55b2ab524c125829d002c21a9.aspx
[3] https://new.abb.com/news/detail/24231/abb-to-supply-high-power-charging-for-new-era-of-e-mobility-in-scandinavia
Cómo puede la red eléctrica dar respuesta a las demandas de la movilidad eléctrica
A medida que la e-movilidad vaya adquiriendo más importancia, habrá que implantarla en línea con ciertas mejoras tecnológicas de las redes eléctricas, que ya están cambiando rápidamente ante la masiva integración de las fuentes de energía renovables. Estos son tres ejemplos de lo que se puede hacer.
Carga secuencial en cocheras de autobuses eléctricos
Los autobuses del mañana se alimentarán con baterías recargables. Teniendo en cuenta la inmensa cantidad de energía que esto requerirá, se puede esperar una gran cantidad de carga cuando haya poca demanda de energía. Para optimizar sus inversiones, las autoridades de transporte se beneficiarán de compartir el uso de cargadores para varios autobuses. Teniendo en cuenta este escenario, ABB ha desarrollado cargadores con una capacidad de hasta 150 kW que pueden cargar sucesivamentehasta tres autobuses. Este proceso, conocido como carga secuencial, se puede programar a distancia. Esto distribuye la potencia de carga a lo largo de la noche, al tiempo que garantiza una carga completa al día siguiente.
Almacenamiento de energía para distribuir la demanda de energía
Como parte de la implantación de una línea deautobuses eléctricos en Ginebra, Suiza, ABB integró baterías en paradas de autobús seleccionadas equipadas con estaciones de carga ultrarrápida. Estas baterías "buffer" se recargan entre dos operaciones de carga de autobuses a una potencia de unos 50 kW; sin embargo, se descargan a una potencia de 600 kW en unos veinte segundos. Esta importante innovación reduce la demanda máxima de energía de la red local de distribución a menos de una décima parte. El mismo concepto podría aplicarse a muchas otras áreas, incluidas las estaciones de carga de alta velocidad para vehículos eléctricos. Estos sistemas también prometen garantizar una mejor calidad de la energía, soporte de tensión y reservas de energía.
Gestión centralizada de las estaciones de carga
Las centrales eléctricas virtuales (VPP) pueden integrar estaciones de carga, sitios de demanda, sitios de generación de energía y sistemas de almacenamiento de energía, proporcionando así a los operadoresde VPP una serie de herramientas totalmente nuevas para responder y optimizar el suministro de energía en una serie de activos. El uso de VPP ha permitido a la empresa energética Stadtwerke Trieren Alemania garantizar la carga de vehículos eléctricos utilizando electricidad 100 % renovable. La plataforma también ha permitido al operador prestar servicios ala red eléctrica local, tales como ajustes de tensión y reservas de energía.
Una segunda vida útil para las baterías: mayor estabilidad para las redes del mañana
Hasta que la conducción autónoma y los vehículos compartidos sean la norma, la mayoría de los vehículos eléctricos privados probablemente terminarán utilizándose de la misma manera que sus homólogos con propulsión convencional, es decir, se pasarán aparcados en aparcamientos y garajes el 95 % de sus vidas. Del mismo modo, los autobuses, camiones y otros vehículos municipales y comerciales, aunque más utilizados, estarán mucho tiempo parados fuera de sus horarios bien definidos. Lo que todos estos vehículos tienen en común -suponiendo que se alimentan con baterías - es que tienen la posibilidad de ser utilizados como fuentes de reserva para dar soporte a la red →6a. Y lo que es más, este enfoque permite reducir el coste total de propiedad (TCO) de todos estos vehículos, así como reducir el coste de funcionamiento de la propia red eléctrica, ya que ayudarían a prescindir de las centrales eléctricas de pico.
Y una cosa más: una vez dados de baja los vehículos eléctricos, sus baterías pueden tener una segunda vida en aplicaciones estacionarias →6b, lo que también puede ayudar a estabilizar la red eléctrica y proporcionar energía de mejor calidad.
Naturalmente, todas estas baterías podrían cargarse in situ utilizando energía eólica, fotovoltaica o procedente de otras fuentes neutrales desde el punto de vista medioambiental generada localmente o remotamente. De este modo, las baterías de los vehículos podrían constituir un depósito casi inagotablede electricidad generada de forma renovable.
