¿Podrían los vehículos eléctricos representar una amenaza para nuestros sistemas de energía?

Gerhard Salge, Director de tecnología, Hitachi ABB Power Grids Ltd

Alexandre Oudalov, Gerente, Sistemas de energía del futuro, Hitachi ABB Power Grids Ltd

Traducido por L. Domenech

• La electrificación del transporte por carretera trasladará nuestras necesidades energéticas de la gasolina a los sistemas eléctricos.
• Esto podría poner tensiones en nuestras redes eléctricas y arriesgarnos a sobrecargarlas a menos que lo planeemos e invirtamos en consecuencia.
• Hemos modelado varios escenarios para ver cuál podría ser el impacto; aquí están nuestros resultados.

El transporte por carretera, que es responsable de alrededor del 18% de las emisiones globales de CO2, es un sector crítico en el que se deben realizar reducciones de emisiones. Un cambio del transporte de hidrocarburos fósiles al transporte impulsado por energías renovables es clave para limitar los aumentos de temperatura global, y los gobiernos de todo el mundo han establecido objetivos y apoyado esquemas para acelerar la electrificación del transporte. Algunos ya han introducido una prohibición para los nuevos automóviles de gasolina y diésel para 2030-2040.

Hacer funcionar los vehículos con electricidad de fuentes renovables en lugar de combustibles fósiles cambiará los requisitos energéticos de las estaciones de servicio a los sistemas de energía. Debemos considerar el impacto de un número creciente de vehículos que se vuelven eléctricos y se enchufan regularmente para recargar sus baterías.

¿Cuáles son los límites en términos de capacidad y flexibilidad de los activos de generación y red para manejar la creciente demanda de carga de movilidad eléctrica sin ninguna medida técnica especial o basada en el mercado, como la carga no controlada? ¿Cuándo se alcanzarán los límites y qué tipo de soluciones basadas en software y hardware se pueden implementar para adaptarse a proporciones más altas de vehículos eléctricos (EV)?

Para representar los escenarios regionales futuros, hemos aplicado el siguiente enfoque de modelado generalizado a los automóviles personales (de pasajeros) como se muestra en la siguiente figura. Con base en estos supuestos, es probable que la electrificación completa de los automóviles de pasajeros en cualquier región del mundo aumente su demanda total de electricidad en alrededor de un 10-20%.

Demanda anual estimada de electricidad después de la electrificación del 100% de los turismos en Alemania

En nuestro análisis, utilizamos fuentes públicas para recopilar e investigar datos de comportamiento de conducción típico de EE. UU., Australia y algunos países de la UE, y observamos tendencias similares en todas las regiones. Los perfiles de conducción se han traducido en perfiles de carga de vehículos eléctricos, teniendo en cuenta la clasificación de potencia típica de los cargadores, la ubicación de carga y la frecuencia de carga. En el enfoque de modelado, consideramos que todos los vehículos eléctricos comienzan a recargar sus baterías inmediatamente cuando están estacionados y enchufados a la red eléctrica; es decir, un proceso de carga que no está controlado desde el punto de vista de la gestión de la red. Entonces, ¿qué encontramos?

Desafíos a nivel nacional

A nivel nacional, los nuevos picos de demanda de vehículos eléctricos por la mañana y por la noche, en combinación con los retiros de la capacidad de generación tradicional, pueden provocar una insuficiencia de generación y transmisión de energía en determinadas horas y días, por ejemplo, en días nublados de invierno con poca producción de viento. La capacidad de los países para mantener equilibrada la generación y la demanda dependerá de la capacidad de sus futuras interconexiones transfronterizas con los países vecinos. La distribución espacial de los vehículos eléctricos, los diferentes hábitos de conducción y la producción variable de energía renovable son importantes para cuantificar estas necesidades. En el caso de Alemania en 2040, más del 80% del déficit de energía en días específicos puede cubrirse con generación renovable del Reino Unido, pero la capacidad de la red de transmisión en el noroeste de Europa debería ampliarse en función del nivel actual.

Durante los días con alta generación solar, la pérdida de luz solar junto con el pico de demanda por la noche debido al creciente número de vehículos eléctricos podrían desafiar las características de las centrales térmicas tradicionales en los próximos años. El almacenamiento de energía jugará un papel clave en el aprovechamiento del excedente de generación solar fotovoltaica durante las horas soleadas para almacenar energía y descargarla durante los picos nocturnos de carga de vehículos eléctricos, suavizando la producción de las centrales eléctricas tradicionales.

Desafíos a nivel de distribución

Si bien las plantas de energía y las conexiones transfronterizas pueden tener suficiente capacidad, podría convertirse en un desafío cuando se trata de distribuir energía a áreas individuales (ver figura a continuación) ya que los niveles de penetración de vehículos eléctricos personales serán desiguales. De hecho, algunas áreas ya tienen una alta participación de vehículos eléctricos en la actualidad, mucho antes de que se alcancen los mismos niveles a nivel nacional.

Niveles de capacidad de alojamiento de la red de distribución

Al considerar un escenario de mercado 100% EV en un vecindario específico, los cables de distribución y los transformadores pueden experimentar una sobrecarga significativa, específicamente por la noche. Esto ocurre demasiado tarde en el día para ser mitigado por la producción local de energía solar fotovoltaica. Los voltajes también pueden alcanzar los niveles mínimos aceptables durante los picos de demanda causados ​​por la carga de EV, lo que será problemático en la distribución.

Los voltajes también pueden alcanzar los niveles mínimos aceptables durante los picos de demanda causados ​​por la carga de vehículos eléctricos, lo que será problemático en las redes de distribución que no tienen dispositivos de control de voltaje.

En la siguiente figura se muestra una matriz de soluciones para contrarrestar los problemas de sobrecarga térmica y de voltaje que resultan de la carga incontrolada de vehículos eléctricos. Incluye varias tecnologías digitales y dispositivos inteligentes que deben tener un tamaño óptimo y colocarse tanto en el campo como en las salas de control para una transición exitosa hacia la electrificación y descarbonización completas del transporte por carretera.

Una matriz de solución para la sobrecarga de la red de distribución

La sobrecarga del transformador de distribución de los vehículos eléctricos personales podría reducirse retrasando estratégicamente la carga de los vehículos eléctricos hasta las primeras horas de la mañana. Solo el 20-25% de la demanda total de energía para vehículos eléctricos necesitaría redistribuirse mediante una carga retrasada.

El almacenamiento de la batería se puede utilizar para reducir los picos de carga de los vehículos eléctricos y aplazar las principales inversiones en infraestructura. Las necesidades de batería respectivas para una red de distribución típica están en el rango del 50-75% de la potencia nominal del transformador con dos a cuatro horas de tiempo de descarga.

Los dispositivos de control de flujo de energía y voltaje flexibles integrados en ubicaciones estratégicas en las redes de distribución pueden permitir la utilización óptima de la capacidad disponible de transformadores y alimentadores y mejorarán la calidad general del suministro de energía en las redes de distribución.

Creemos que desde una perspectiva técnica, la caja de herramientas completa de soluciones técnicas requeridas para lograr el 100% de la electrificación del transporte por carretera, sin amenazar la operación segura de los sistemas eléctricos existentes y futuros, está disponible o en desarrollo y no será una limitación ni un obstáculo. 

El artículo original en inglés se puede leer en World Economic Forum