Comunicación presentada al VI Congreso Smart Grids
Autores
- Mikel G. Zamalloa, Tecnología, IBIL
- Iker Marino, Tecnología, IBIL
- Aitor Basterretxea, Tecnología, IBIL
- Txetxu Arzuaga, Dir. de Tecnología y Sistemas, IBIL
- Eduardo García, Director Operaciones, IBIL
- Aitor Arzuaga, Director General, IBIL
Resumen
En este documento se presentan los criterios de diseño de una estación de recarga de vehículos eléctricos a alta potencia considerando tanto el dimensionamiento eléctrico como las necesidades espaciales y de ergonomía, y se describen las arquitecturas habituales de los sistemas de recarga. Como ejemplo de este tipo de proyectos se expone la estación de servicio de Repsol en Lopidana (Álava) donde el 1 de abril de 2019 se puso en servicio el primer sistema de recarga HPC de la península. Se presentan algunas curvas de carga reales obtenidas de dicha instalación y se analizan estos resultados desde el punto de vista eléctrico y del usuario final. Se concluye con un análisis de las posibles mejoras que introducir en un futuro cercano para hacer la tecnología HPC más competitiva y sencilla de operar, mejorando al mismo tiempo la experiencia de usuario.
Palabras clave
Vehículo Eléctrico, Recarga, Alta Potencia, HPC, Recarga Ultra Rápida, UFC, ISO15118, IEC61851, CCS, ChaDeMo
Introducción
El ecosistema del vehículo eléctrico (V.E.) está avanzando a pasos agigantados en todos los frentes: baterías con mejores prestaciones, vehículos más eficientes, mayor oferta de vehículos y una mayor disponibilidad de infraestructura de recarga pública [1]. Hace pocos años la limitada autonomía de los primeros modelos de vehículos con baterías de menor capacidad y la falta de una infraestructura de recarga accesible, confiable y rápida eran causantes de la range anxiety (el miedo a quedarse sin carga en las baterías y sin cargador accesible). Hoy, con vehículos con baterías de mayor capacidad y recargas a alta potencia (High Power Charging, HPC) de hasta 350 kW, podemos decir que estos miedos ya no están justificados.
La recarga a alta potencia es una de las claves para hacer que la experiencia de uso de estos vehículos sea similar a la de los vehículos de combustión interna: según un estudio de NACS en EE.UU. [2] el 70% de los conductores tiende a llenar al 100 % el depósito de combustible cuando para a repostar en una estación de servicio. La recarga HPC, cargando las baterías al 80% en un breve intervalo de tiempo, cubre estas expectativas de uso.
Concepción de una estación de servicio con cargadores de alta potencia
Para convertir la recarga HPC a potencias de hasta 350 kW en una realidad, se deben acometer inversiones importantes en equipos e instalaciones. Dichas inversiones deben ser evaluadas conforme a criterios técnicos y económicos.
La importancia de la ubicación
Este tipo de proyectos requiere una cuidadosa elección de la ubicación de los terminales de recarga. Esta elección se hace priorizando ubicaciones que permitan cubrir las principales rutas europeas, preferentemente cerca de nudos de carretera que conecten varias de estas vías y en las cercanías de algún núcleo de población. Siempre que sea posible, se priorizarán ubicaciones capaces de atender al tráfico que discurra en ambos sentidos de la carretera. Los patrones de tráfico y el tipo de trayectos habituales (recorridos largos o cortos) son también relevantes en este tipo de decisiones.
También se deben considerar las distancias entre estaciones de servicio con recarga de V.E. y dimensionar cada instalación considerando la demanda de recargas y el tipo de tecnologías de recarga soportadas para cada V.E. así como el número de vehículos eléctricos susceptibles de utilizar la instalación.
Diseño de una instalación de recarga de alta potencia
Una vez seleccionada la ubicación, para poder diseñar la instalación de recarga, se consideran diversos factores como la demanda esperada, el tipo de tecnologías de recarga soportadas por los diferentes modelos de V.E., la conexión a la red de distribución eléctrica y la ocupación de espacio.
Demanda de energía de los V.E.: Mayores baterías y recargas más rápidas
Al considerar la demanda esperada, se deben analizar en primer lugar las características de los modelos de V.E. actuales y futuros. Como muestra la siguiente gráfica, son cada vez más los modelos de V.E. que soportan potencias de recarga superiores a los 50 kW que eran habituales hasta hace poco, siendo los V.E. de gama alta los que llegan a mayores potencias (hasta 260 kW actualmente). Se espera que en 2020 lleguen también los primeros vehículos capaces de cargar a 350 kW.
Además de la potencia de recarga, los fabricantes de V.E. también están aumentando paulatinamente la capacidad de las baterías instaladas en sus V.E., con modelos que ya llegan a los 90 kWh. Los analistas señalan [3] que ambas tendencias (aumento de capacidad de baterías embarcadas y reducción del tiempo de recarga) se mantendrán, esperándose mayores potencias de carga y autonomías superiores a los 600 km en los próximos 4 años (con modelos de V.E. con mayores baterías y mejores eficiencias en kWh/km).
Dimensionamiento e instalación eléctrica
La instalación de varios terminales de recarga HPC de hasta 350 kW puede superar fácilmente 1 MW de potencia total, por lo que en la práctica totalidad de casos será necesario conectarse a la red de Media Tensión (MT) a través de un Centro de Transformación (CT) dedicado. El diseñador de la instalación deberá seleccionar cuidadosamente la ubicación de cada elemento dentro de la estación de servicio (CT, unidades de conversión de potencia, terminales de usuario etc.) atendiendo no solo a las restricciones propias de este entorno (zonas ATEX, circulación de vehículos y personas etc.) sino también considerando el coste de la obra civil y del material eléctrico para cada configuración posible.
Si bien con la baja penetración actual del V.E. en nuestro parque móvil es poco probable que se den varias recargas simultáneas a máxima potencia en una misma instalación, dadas las previsiones de crecimiento de este mercado y los planes de lanzamiento de modelos de V.E. con mayores potencias de recarga, es recomendable dimensionar la instalación para factores de utilización cercanos a la unidad y reducir los costes de operación adecuando la potencia contratada a la demanda real de cada instalación.
Consideraciones espaciales y ergonomía
Toda instalación HPC debería contemplar la facilidad de uso, ergonomía y seguridad de usuarios e instalaciones. Para ello, es recomendable seguir las mejores prácticas de la industria [4] que marcan criterios para el correcto diseño de estas instalaciones especificando, entre otros, la posición y longitud de los cables de recarga, la disposición que los vehículos deben tener etc.
Arquitecturas de terminales de recarga
Actualmente en el mercado se pueden encontrar soluciones de recarga de potencias superiores a 50 kW en configuraciones diferentes. Si bien a alto nivel se pueden ver como un conjunto de etapas y bloques constructivos similares, el producto final puede variar sustancialmente de un fabricante a otro. La variación más evidente es la espacial, siendo posible encontrar soluciones monolíticas (todo el sistema de recarga está contenido en una única envolvente) y soluciones repartidas en varias envolventes más o menos voluminosas, cada una con sus requisitos espaciales en cuanto a distancias mínimas y máximas entre elementos, alimentación etc.
La mayor diferencia desde el punto de vista eléctrico se encuentra en la arquitectura de los sistemas de conversión de potencia. Mientras algunos fabricantes han optado por sistemas donde las etapas de conversión AC/DC y DC/DC operan conjuntamente, otros han disociado estas etapas siendo posible que un mismo conversor AC/DC sea compartido por varios terminales de recarga conectados a un mismo bus DC. Al poder ser compartido por varios terminales de recarga, el mismo módulo AC/DC, se garantiza que la potencia que puede ofrecer dicho módulo se aproveche de forma óptima.
Resultados: recarga a alta potencia en la estación de servicio de Lopidana
Atendiendo a los criterios de diseño mencionados, el 1 abril de 2019 se puso en marcha en la E.S. de Repsol en Lopidana (Álava) la primera instalación de recarga HPC de la península con 4 terminales de recarga de 350 kW alimentados por 4 módulos de potencia de 175 kW siendo por tanto posibles configuraciones de 2 x 350 kW, 1x 350 kW + 2 x 175 kW o 4‑x‑ 175 kW. Esta instalación se integró en el sistema de control de IBIL, a través del protocolo OCPP, permitiendo la monitorización en tiempo real de los terminales y las recargas.
Se presentan a continuación dos gráficas con las curvas de potencia y energía de obtenidas en esta instalación, correspondientes a dos modelos de V.E. de alta gama. Como se puede apreciar, los vehículos no recargan al 100% de su potencia nominal más que durante una fracción del tiempo total de recarga. Es habitual que la potencia se reduzca a partir de un estado de carga (SoC) del 40-50% y que caiga a valores muy bajos a partir del 70-80% de SoC, aunque cada modelo de V.E. presenta un perfil de recarga diferente.
Discusión de los resultados
A continuación, se enumeran algunas potenciales mejoras para tener en cuenta en futuras instalaciones de HPC.
Recarga automática: identificación y conexión
Es posible reducir el tiempo total que un V.E. debe estar parado para recargar sus baterías gracias a protocolos como el ISO15118, que empiezan a ser soportados por algunos modelos de V.E. Esta tecnología permite que el vehículo se autentifique automáticamente con la infraestructura de recarga haciendo realidad el “Plug and Charge” donde el usuario tan solo debe conectar su coche para poder cargar.
Otra posible línea de mejora es la automatización del proceso de conexión. Los sistemas automáticos de conexión conductiva podrían suponer una pequeña revolución en el mundo de la recarga del V.E. y hacer la experiencia más cómoda, limpia y rápida para los usuarios, si bien estas tecnologías, todavía en estado muy embrionario, aún no están siendo adoptadas por los fabricantes de V.E. en sus turismos.
Integración de almacenamiento y generación distribuida
Algunos de los retos técnico-económicos a los que se enfrentan las instalaciones de recarga HPC son los costes de la infraestructura eléctrica requerida, los elevados costes de acceso a red y la integración en la red eléctrica de una demanda estocástica de elevada potencia.
En este contexto, los sistemas de almacenamiento de energía (SAE) estacionarios y la generación distribuida pueden jugar un papel muy relevante para optimizar los costes de instalación y explotación de estas estaciones de recarga HPC [5]. En particular, los SAE pueden dotar de gran flexibilidad a los sistemas HPC, reduciendo la potencia de conexión a red y optimizando los costes de suministro de energía. De forma simplificada, las baterías operarían cargándose desde la red durante los periodos en los que la demanda de recarga de V.E. es inferior a la potencia contratada y descargándose durante los periodos de mayor demanda.
Además, una instalación de HPC con SAE también podría proveer servicios adicionales a la red eléctrica. En este sentido, es relevante mencionar que las nuevas regulaciones y directivas de la UE (2019/943 y 2019/944) relativas al mercado interior de electricidad abren los mercados de electricidad y flexibilidad a nuevos actores. Así, un agregador podría operar en los mercados de energía y ofrecer servicios de flexibilidad a la red través de la gestión de un conjunto de puntos de recarga.
Así, aunque este tipo de soluciones se han estudiado a nivel teórico desde hace años, la bajada de los precios de las baterías de Li-Ion y la mejora de sus prestaciones, el aumento del parque de V.E. y la posibilidad de recargar a elevadas potencias, junto con la posibilidad de participar en los mercados eléctricos y de flexibilidad, hacen que ahora su viabilidad económica sea más factible.
Este tipo de soluciones técnicas deben analizarse caso a caso ya que el dimensionamiento óptimo de los diferentes elementos, así como su viabilidad económica dependen de numerosos factores que interactúan entre sí, como la experiencia de usuario, la demanda de recarga y las curvas de carga de los vehículos o las características y dimensionamiento de la batería.
Mantenimiento: modularidad y flexibilidad
Sería muy interesante que los terminales de recarga tuvieran una concepción modular, de forma que mediante módulos se pudiera añadir potencia adicional de recarga en la instalación cuando el grueso del parque móvil soporte mayores potencias. Esto también tendría sus ventajas desde la perspectiva del mantenimiento al ser posible sustituir módulos dañados in situ sin tener que reparar los terminales en fábrica, reduciendo así los costes de operación del sistema y mejorando la disponibilidad de la infraestructura de recarga.
Conclusiones
La adopción de la recarga a alta potencia es clave para la irrupción masiva del V.E. [6]. Desde el punto de vista de la red de distribución, la irrupción de equipos de electrónica de potencia con potencias acumuladas que fácilmente pueden exceder el megavatio podría suponer un reto. El uso racional de la potencia contratada es fundamental no solo para reducir los costes de operación, sino también para hacer técnicamente viable la instalación de terminales de 350 kW. La combinación con sistemas de almacenamiento de energía y generación distribuida es una vía interesante que explorar en un futuro cercano. En el caso de las estaciones de servicio, su conversión en estaciones multi-energía también implicará un proceso de integración de dos sistemas de explotación: Por un lado, seguirán estando los surtidores de combustibles, lavacoches, restaurantes etc. y por el otro, se añadirán los sistemas de recarga eléctrica de alta potencia. Los operadores de EE.SS. buscarán no solo equipos capaces de suministrar energía eléctrica de forma segura y fiable, sino también socios que les ayuden a explotar estos sistemas de recarga con un impacto mínimo en su forma de operar estas estaciones de servicio.
Los fabricantes de equipos de recarga tienen oportunidades de mejora en la operación y mantenimiento de sus sistemas mediante diseños modulares que permitan a los operadores de la infraestructura adaptarse paulatinamente a la realidad el mercado del V.E.
Todas las iniciativas que persigan la mejora de la experiencia de recarga (sea por comodidad o por reducciones de tiempos de recarga) serán beneficiosas, especialmente para aquellos usuarios que, debido a las limitaciones de su V.E. deban pasar más tiempo cargando. En este escenario, la adopción de nuevas tecnologías que permitan ahorrar tiempo por otros medios (como la identificación y autenticación automática de los usuarios mediante ISO15118 o la conexión automática de los vehículos a los terminales de recarga (p.e. con sistemas con pantógrafo en autobuses o camiones) ayudarán a la electrificación del parque móvil.
Agradecimientos
La instalación de la E.S. de Lopidana fue financiada dentro del marco del proyecto E-VIA FLEX-E cofinanciado por la Comisión Europea a través de los fondos CEF (Connecting European Facilities).
Los desarrollos tecnológicos de sistemas HPC con almacenamiento de IBIL en el periodo 2019-2021 están cofinanciados por el proyecto Emovlab, financiado por el Departamento de Desarrollo Económico e Infraestructuras del Gobierno Vasco (Programa HAZITEK) y el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER)
Referencias
[1] Electric Vehicle Outlook 2019 Bloomberg NEF (26 de septiembre de 2019)
[2] NACS: 9 habits of gas buying customers (26 de septiembre de 2019)
[3] Woodward, M. et al. 2019, New Market. New Entrants. New Challenges. Battery Electric Vehicles. Deloitte
[4] Geometric Requirements for Charging Stations V1.0, CharIn, 2019
[5] Scholdan, R. P3 Group: Analysis of the potential of stationary batteries to reduce the grid connection power and costs of HPC parks for BEV-s. EVS32
[6] ackinsey Insights, Agosto 2018: Charging Ahead: Understanding The Electric Vehicle Infrastructure Challenge (26 de septiembre de 2019)