JOAN HINOJO I Ingeniero Eléctrico Director General de Circontrol
Un total de 2,2 millones de vehículos eléctricos fueron fabricados en todo el mundo en 2019. El crecimiento de las ventas de vehículos eléctricos de los últimos años es espectacular.
Un total de 2,2 millones de vehículos eléctricos fueron fabricados en todo el mundo en 2019. El crecimiento de las ventas de vehículos eléctricos de los últimos años es espectacular. En el año 2015 se fabricaron unos 500 mil, en el 2017 unos 1,2 millones y en el 2019 unos 2,2 millones, casi el doble que hace dos años. Esto no es nada comparado con la opinión de los líderes de opinión y las predicciones del mercado. El verdadero crecimiento está aún por venir.
El cambio esperado en los sectores de la automoción y la energía es un gran reto para la humanidad; este cambio se podría comparar con el cambio que supuso pasar del coche de caballos al de gasolina, pero es mucho más que eso porque también cambia el modelo energético y al mismo tiempo es un elemento necesario para la descarbonización del planeta.
Ciertamente estamos afrontando un cambio enorme, y surgen muchas preguntas, tales como:
¿Cuánto tiempo tardará el VE en tener un impacto masivo en las carreteras?
¿Están los sectores de Automoción, Energía y Gobierno preparados para apoyar el aumento de la demanda del mercado de VE?
¿Cuántos cargadores VE se necesitan? ¿De qué tipos? ¿Dónde hay que colocarlos?
¿Cuáles son los retos de la tecnología para adaptar la carga VE a los nuevos modelos de negocio, satisfaciendo las expectativas de adopción del conductor?
Hay cuatro mercados principales de vehículos eléctricos: China (el más grande y de rápido crecimiento), Estados Unidos, India y Europa. Haremos un enfoque especial en Europa.
El mercado de vehículos eléctricos (VE) y cargadores de VE (EVSE)
Situación actual y predicciones de crecimiento
En 2019, las ventas mundiales totales de vehículos eléctricos fueron de 2,2 Millones de unidades. Las ventas de VE en Europa fueron de 564 mil unidades.
El crecimiento mundial previsto del VE para el 2020 es de alrededor del 36%, con 3 Millones de unidades en nuevas entregas. Este nivel de crecimiento, o incluso superior, se espera que siga en años venideros.
Se espera que en el año 2021 el total de nuevos VE fabricados sea de alrededor de 4 Millones de unidades (5% del total de vehículos). Sin embargo, el número total de vehículos eléctricos será de unos 13 millones (9,2% de penetración) y continuará su crecimiento.
A finales del año 2017 España contaba con 23 mil VE de un total de 22 millones de vehículos 1,1‱ (1 de cada 1.000 vehículos). El porcentaje de las nuevas ventas fue de 5.77 ‱ (casi 6 de cada 1.000 coches nuevos eran VE).
Para 2040, se venderán 60 mio eVs, equivalentes al 55% del mercado mundial de vehículos ligeros y el 33% de la flota mundial será eléctrica.
Algunos comentarios relacionados con el crecimiento esperado del mercado y la imagen Y2040 son:
Las ventas de vehículos eléctricos a largo plazo se verán influenciadas por la rapidez con la que la infraestructura de carga se extienda por los mercados clave.
China es y seguirá siendo el mercado de vehículos eléctrico más grande del mundo.
Los autobuses serán eléctricos más rápido que los vehículos ligeros.
Los VE ahorrarán 7,3 millones de barriles / día de combustible, en el sector transporte.
El nuevo escenario sobre movilidad eléctrica tendrá un gran impacto en la industria automotriz, las condiciones ambientales y en el sector de la energía eléctrica.
Un nuevo negocio aparece: equipos y servicios para la recarga del VE
En 2018, la energía mundial total consumida para cargar los 4 millones de VE existentes fue de alrededor de 10 TWh (promedio por coche 12.500 km/año consumiendo 20kWh/100km). Esta cifra es muy baja en comparación con el total del consumo mundial de energía eléctrica (25.000 TWh). En la UE fue de 4.000 TWh, en España de 265 TWh.
La demanda de energía para cargar VE podría alcanzar los 300 TWh en 2030 (para cargar unos 140 Millones de VE).
Todas las predicciones, de las empresas de consultoría de renombre y del sector, muestran la carga en corriente alterna (CA) como fuente dominante para llenar las baterías de los VE. Sin embargo, la carga rápida en corriente continua (CC) es necesaria para conductores que no disponen de cargador en su hogar y/o su lugar de trabajo, para flotas y taxis, y también para vehículos en tránsito recorriendo largas distancias (autopistas) así como para el autobús eléctrico (eBUS) y los camiones eléctricos (eTRUCK). En estos últimos casos, será necesaria una carga ultrarrápida.
La red eléctrica local en baja tensión no siempre será suficiente para carga ultrarápida o rápida con lo que se requerirá una carga semi rápida, ya sea de CA o CC.
La potencia necesaria para cargar simultáneamente 1 Millón de coches, con una potencia media de 10 kW, es de 10 GW. Algunos se cargarán en casa a 3,2-7,4 kW, otros en el trabajo a 7,4-25 kW, algunos en cargadores públicos a 25-50 kW, algunos en cargadores de alta velocidad a 50-150 kW y más, .... Hay que tener en cuenta que el millón de vehículos mencionado cargaría en sus baterías alrededor de 35 GWh (considerando una carga promedio de 35 kWh por sesión).
Por lo tanto, cargar 1 millón de vehículos simultáneamente sólo es posible con una gestión inteligente de la potencia disponible tanto en el país, como regional y local (ya que se debe considerar la curva de energía del día y las limitaciones de energía local en la distribución).
El despliegue masivo de puntos de carga de VE es clave para la implantación efectiva del VE. El sector de fabricantes de cargadores de VE (EVSE) y proveedores de soluciones deben realizar una fuerte inversión. El sector de recarga de VE ofrece múltiples oportunidades tanto para pequeñas como grandes empresas, pero estas deben realizar una importante inversión.
La evolución del mercado de cargadores de VE es (elaboración propia):
Y hay grandes brechas entre los países tal como se observa en el siguiente gráfico.
La carga será efectiva en diferentes lugares, pero la carga en el hogar y el lugar de trabajo es la más conveniente para el conductor y el sistema de energía.
El coste del servicio de carga para los conductores de VE es, hoy en día, diferente dependiendo del país y el operador de carga. En algunos países o lugares, la carga es aún gratuita ya que es esponsorizada por el gobierno o las autoridades locales (normalmente países donde la movilidad eléctrica está empezando). Pero es cada vez mas extendido el modelo de carga con coste asociado, especialmente para la carga publica rápida.
En los lugares donde la recarga se paga, los costes no están unificados todavía. Es difícil comparar los precios de los diferentes países porque todavía hay una gran dispersión.
Vamos a poner como ejemplo los precios de España para carga rápida en lugares públicos. Estos son los precios que ofrecen los diferentes operadores (datos de enero 2020).
Escenario europeo, Incentivos y Reglamentos
El sector automovilístico europeo comienza a "ponerse las pilas". Algunos ejemplos:
Volvo 2020: Todos los vehículos serán eléctricos o híbridos
VW 2025: 80 modelos electrificados; 50 Eléctricos, 30 híbridos
BMW 2025: 32 modelos electrificados; 12 Eléctricos, 25 híbridos
JLR 2020: Todos los vehículos eléctricos o híbridos
Daimler 2025: 25% de los vehículos eléctricos
Porsche 2023: 50% de los vehículos eléctricos
PSA 2025: Todos los vehículos serán eléctricos o híbridos
Renault 2022: 12 nuevos modelos eléctricos puros (Nissan, Mitsubishi)
Las predicciones del VE para el Mundo del 2025 son: 25 Millones de vehículos electrificados se fabricarán en, aproximadamente, 400 modelos, de los cuales el 20% serán eléctricos puros.
En la actualidad hay muchos proyectos de estaciones de recarga rápida y ultrarrápida (las llamadas “electrolineras”) en Europa. Algunos de los proyectos de carga “ultrarrápida” se muestran a continuación:
Existen subvenciones, incentivos, normas y reglamentos de la UE. Sin embargo, cada país -y a veces las regiones y las ciudades- tienen los suyos propios.
Existe una Directiva Europea 2014/94/UE publicada el 22 de octubre de 2014 sobre la implantación de infraestructuras para combustibles alternativos: Se pide a los Estados miembros de la Unión Europea que creen un número adecuado de puntos de recarga para los vehículos eléctricos (Recomendación: mínimo de 1 punto cada 10 vehículos eléctricos).
Pero en España existen múltiples normativas:
RD Ley 6 de 2010: Estrategia integral para el impulso del VE, incluyendo la nueva figura del "Gestor de Carga"("Charge Point Operator").
RD 647/2011: Regulación de la actividad del gestor de recarga CPO.
Ley 24/2013: del Sector Eléctrico, que especifica los derechos y obligaciones del CPO.
RD 842/2002: REBT al que deben remitirse todas las instalaciones eléctricas, .
Real Decreto-ley 15/2018 elimina la figura del gestor de carga.
Por lo tanto, cada país es un reino y hay que estudiar localmente la legislación aplicable.
Los retos tecnológicos de la carga del VE
La tecnología EVSE que viene ...
Existen diferentes tecnologías necesarias para la carga del VE tales como:
Gestión dinámica de la potencia de carga del VE
Integración de los sistemas de pago existentes a la carga del VE
OCPP 2.0: + seguridad, + control + información
ISO 15118: Identificación del VE a través de la propia línea eléctrica
Roaming 4.0: Interoperabilidad para carga del VE
Carga Ultra-Carga rápida en CC: + V + A + + + + kW
V2G - V2H: El VE devuelve energía a la red eléctrica
Almacenamiento de energía: baterías a bordo y fuera del VE
Carga inalámbrica: Carga por inducción magnética
Veamos algunos de ellos en un enfoque más profundo.
Gestión dinámica de la potencia de carga del VE
En la mayoría de las viviendas existentes el sistema eléctrico no está diseñando para cargar VE. Es necesario un aumento la potencia contratada con la compañía
eléctrica; en algunos casos no es posible (no hay más potencia disponible en la zona) o la inversión es alta. Para nuevas viviendas también es muy recomendable instalar un sistema dinámico de gestión de la demanda de energía.
La instalación de un sistema de gestión de energía dinámica al inicio permitirá cargar el VE más rápido sin necesidad de una actualización costosa de la instalación, evitando cualquier riesgo de apagón cuando se utilizan los aparatos y se carga el
VE al mismo tiempo.
En comunidades de propietarios, lugar de trabajo, flotas, parkings públicos, … tenemos varios VE que se quieren cargar al mismo tiempo, en el mismo lugar. Entonces tenemos un problema adicional.
No sólo tenemos que cargar todos los VE a la máxima velocidad posible, también tenemos que proteger la instalación del edificio contra un disparo de la protección por sobre corriente. Se podría aumentar la potencia contratada pero la mayoría de las veces esto no es posible ya sea porque el aumento de potencia no está disponible en esta zona o porque el propietario del edificio no desea invertir más dinero en ello.
Una buena solución para gestionar la potencia disponible en un conjunto de puntos de carga debe tener las siguientes características:
Evitar el alto costo de la actualización de la instalación
Optimizar la potencia suministrada por los puntos de carga
Reducir el tiempo que tarda en cargar completamente una flota
Supervisar y controlar en tiempo real el estado de cada punto de carga y el consumo en tiempo real
Instalación adaptable a posibles cambios futuros
La forma de implementar la solución mas adecuada es la siguiente:
Instalar un medidor de potencia para leer el consumo total del edificio. El diferencial de potencia se destina a la carga del VE. Cuando se alcanza la potencia máxima permitida, el control inteligente reduce la carga de los VE utilizando la opción de “derating” en el modo de carga 3.
ISO 15118: Portador de línea de alimentación de identificación EV
Este sistema simplifica el proceso de recarga de un vehículo eléctrico ya que elimina la necesidad de tarjetas magnéticas o aplicaciones móviles.
La única acción necesaria es insertar el cable de carga del cargador del vehículo.
Se basa en la norma internacional ISO 15118, que regula el intercambio automatizado y asegurado de datos entre vehículos e infraestructura de carga (energiza las estaciones de carga a través de un certificado digital en el vehículo).
La ISO 15118 permite otros casos de uso como la futura conexión de vehículos eléctricos V2G (vehículo a red), cumpliendo con los requisitos de seguridad para la futura infraestructura de carga.
Una vez que el vehículo está conectado a la estación de carga, los datos de autorización del conductor se transmiten y sincronizan de forma cifrada.
Carga Ultra-Carga rápida en CC: + V + A + + + + kW
El comienzo del despliegue de carga rápida en Europa comenzó en el año 2010 con el estándar japonés Chademo,
Una corriente continua CC se aplicó al coche desde el cargador rápido. La potencia máxima era de 50 kWcc, mientras que la tensión máxima era de 500 Vcc y la corriente máxima era de 125 Acc. En este momento las baterías de los EV más populares eran: 16kWh (Mitsubishi Imiev) o 24kWh (Nissan Leaf). La carga en permitía llenar en 15 min. 12,5kWh, y en 30 min. 25kWh. Era suficiente en ese momento.
Tesla apareció justo después de esto con el despliegue masivo de su "súper cargador" alcanzando la carga de 120kWdc.
En el año 2012 se estableció la Alianza CCS; este fue el comienzo de la carga CC europeo-estadounidense. El estándar CCS fue soportado con clara idea de permitir más potencia que Chademo (hasta 350kW en el futuro). Por lo tanto, la carga Ultrarrápida consiste en aumentar la corriente de carga y / o el voltaje de carga, consiguiendo así mucha más potencia (kW).
Se prevé que la carga ultrarrápida sólo cargará 10-20% de la batería de los VE (la mayor carga se hará en casa y los lugares de trabajo, con cargadores de CA). Sin embargo, es crucial para la movilidad eléctrica implantar esta tecnología con las características siguientes:
Carga simultánea CC-CC (2xDC)
Equilibrio de potencia dinámico entre CC-CC
Limitación de potencia predefinida en caso de restricciones puntuales de la red
Funcionalidad Connect & GO (inicio de sesión activo/inicio de carga activa)
o Los usuarios no tienen que esperar a que el usuario anterior complete
su sesión para iniciar una nueva carga en otro conector
Función de modo de servicio. Ante cualquier mal funcionamiento de los componentes no vitales para la recarga, el equipo debe ser capaz de seguir cargando
Para estas estaciones de carga rápida, la opción más interesante es combinar un rectificador dinámico de CA/CC y un convertidor de CC/CC.
V2G - V2H: El VE devuelve energía a la red principal
V2G es un acrónimo inglés (Vehicle 2 Grid), Vehículo a Red. Describe un sistema en el que los vehículos eléctricos enchufables, tales como vehículos eléctricos de batería (BEV), híbridos enchufables (PHEV) o vehículos eléctricos de pila de combustible de hidrógeno (FCEV), se comunican con la red eléctrica para vender servicios de respuesta a la demanda ya sea devolviendo electricidad a la red o limitando su tasa de carga.
V2H es lo mismo, sin enviar energía a la red, consumiendo la energía en la instalación local.
Por lo tanto, un cargador V2H / V2G EV es capaz de enviar energía en dos direcciones (vehículo a la red o red al vehículo).
La energía puede ser almacenada en las baterías del propio VE o fuera del mismo.
La carga de estas baterías se podría hacer a partir de energía solar, en CC de baja tensión.
Habrá las siguientes solicitudes de mercados:
La tecnología tiene que prepararse para conseguir estos sistemas con electrónica de potencia adecuada, a costes razonables.
Almacenamiento de energía: baterías a bordo y fuera del VE
El almacenamiento de energía es una oportunidad para ayudar a:
lograr mayor velocidad de carga (cuando la energía local disponible es baja)
la red eléctrica
o evitar su colapso debido a la sobredemanda
o aplanar la curva de demanda diaria
La energía para cargar un VE también puede provenir de energía renovable, producida localmente (por ejemplo, tejado fotovoltaico doméstico) o producida por centros de generación (por ejemplo, parques solares o parques eólicos).
Si echamos un vistazo a la fuente de energía de generación en diferentes países veremos que en algunos de ellos (por ejemplo, Alemania, Reino Unido, Países Bajos, Dinamarca, España, ...) la generación eólica es importante (en Alemania representa el 35% de la generación anual total). Podría ser más, pero los parques eólicos se utilizan para regular la producción eléctrica al seguir rápidamente las variaciones de la demanda (un molino de viento puede estar apagado en segundos). En este caso los molinos de viento no están generando electricidad a pesar de que hay viento. El desperdicio de recursos naturales no es lógico cuando la infraestructura está disponible. Esta energía del viento podría ser utilizada para cargar los VE.
La energía generada por el sol o el viento se puede almacenar para aumentar la potencia en lugares donde el sistema eléctrico local es difícil de aumentar (caro o no adecuado).
Esto se puede hacer en almacenamiento bajo (baterías de 15kWh, almacenamiento medio (100kWh) o almacenamiento ingente (1MWh).
Otra posibilidad de almacenamiento de energía es a bordo del coche. La energía almacenada dentro del coche podría ser utilizada para ayudar a la red por V2H o V2G, como ya hemos visto. El reto tecnológico es, sin duda, las baterías. La nueva generación de baterías debe proporcionar una mejor relación kW versus volumen y peso.
Carga inalámbrica: Carga por inducción magnética
La carga inalámbrica consiste en cargar la batería del VE transfiriendo energía eléctrica desde la red eléctrica al VE por inducción magnética, sin cables.
La tecnología consiste en llevar parte del cargador de CC a bordo del VE.
El VE obtiene la energía de CA final y la rectifica para cargar sus baterías.
Esta tecnología podría ser interesante implementarla para potencias pequeñas (3kW) si su costo fuera competitivo versus el sistema conductivo por cable. Sin embargo, para potencias medias o altas no está claro todavía debido a sus altas pérdidas de potencia y porque no está claro que las ondas electromagnéticas no sean perjudiciales para la salud.
Conclusiones
El VE ha llegado para quedarse.
El mercado de los VE
▪ En el año 2017 el parque mundial de vehículos era de 1,2 Bio, y solo 3 Mio eran eléctricos (0,25%). Para 2030 la predicción es de 1,4 Bio, de los cuales 140 Mio serían eléctricos (10%). Europa sería un tercio del mercado.
▪ En el año 2030, la mitad de los VE (70 Mio) tendría un cargador privado (hogar) y cada 10 VE (14 Mio) tendría un cargador público. Uno de cada 20 cargadores públicos sería rápido o ultrarrápido (1,4 Mio).
▪ La carga rápida y ultrarrápida será necesaria, aunque la gran parte de la carga de la batería del VE se llevaría a cabo en casa o en el trabajo.
La tecnología de carga del VE
▪ En los próximos años habrá mejores comunicaciones y sistemas de interoperabilidad (cargador – VE – operador – usuario).
▪ Será necesaria la gestión de la potencia disponible en la red de distribución y el lugar de carga de los VE para evitar un colapso local de la red, cargando las baterías lo mas rápido que sea posible en cada momento.
▪ Las principales tecnologías de carga EV serán las conductivas, con un gran progreso en la carga de CC ultrarrápida, energías renovables, almacenamiento de energía y V2G.
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