Sistema de baterías de segunda vida para instalaciones de recarga rápida de vehículo eléctrico

Comunicación presentada al VII Congreso Smart Grids

Autores

• Iker Marino, Responsable de proyectos de tecnología, IBIL
• Mikel G. Zamalloa, Responsable de proyectos de tecnología, IBIL
• Txetxu Arzuaga, Dir. de Tecnología y Sistemas, IBIL
• Haritz Macicior, Responsable Unidad Sistemas de Almacenamiento, CIDETEC, BRTA
• Aitor Makibar, Investigador, CIDETEC, BRTA
• Leire Martín, Responsable Almacenamiento de Energía, Irizar e-mobility

Resumen

Los sistemas de recarga rápida y ultrarrápida para vehículo eléctrico requieren una elevada potencia de conexión a red. En función de su ubicación la conexión puede requerir grandes inversiones adicionales, que unidas a unos costes operacionales elevados pueden afectar a la viabilidad de la instalación. Este documento presenta los trabajos que IBIL y sus socios están realizando para el desarrollo de un sistema basado en baterías de segunda vida de autobuses eléctricos como soporte para las instalaciones de recarga rápida, que reduce la necesidad de potencia de red y aporta una gran flexibilidad para integrar renovables para autoconsumo, mejorar la gestión energética y prestar servicios de balance al sistema eléctrico

Palabras clave

Vehículo eléctrico, recarga rápida, recarga ultrarrápida, baterías, Litio-Ión, segunda vida, autobús eléctrico.

Introducción

El vehículo eléctrico (VE) es uno de los pilares fundamentales en la estrategia de descarbonización de Europa y España para alcanzar los exigentes niveles de descarbonización en 2030 (40%) y la neutralidad climática en 2050. En este contexto, el despliegue de la infraestructura pública de VE es fundamental para lograr los objetivos de penetración que el PNIEC estima en 5 millones de vehículos para 2030.

En [1] se analizaba y justificaba la necesidad de estaciones de recarga rápida (QC) y ultrarrápida (HPC), y se analizaban los criterios de diseño y las diferentes posibles arquitecturas de estaciones de recarga.

Sin embargo, el despliegue, operación y explotación de instalaciones de recarga de VE y en particular de recarga rápida (QC) y ultrarrápida (UFC) presenta y se enfrenta a retos que en ocasiones ponen en riesgo su viabilidad tanto técnica como económica. Los retos principales son los siguientes:

• El despliegue masivo de estaciones de recarga puede suponer un importante estrés para el sistema eléctrico debido a la elevada potencia de conexión requerida y a una elevada demanda de potencia instantánea y de carácter altamente estocástico. Actualmente en España ya existen estaciones de recarga UFC multiterminal que por si solas ya cuenta con una potencia total de recarga instalada superior a 1 MW, como por ejemplo las estaciones de servicio de Lopidana y Ugaldebieta operadas por Repsol.
• Existen muchas localizaciones adecuadas desde un punto de vista de servicio a la movilidad eléctrica en las que, sin embargo, la potencia eléctrica disponible es muy inferior a la requerida por la estación de recarga que por tanto requieren realizar grandes inversiones asociadas al punto de conexión como por ejemplo nuevos centros de transformación de cliente o nuevas líneas. Esto provoca que en muchas ocasiones la infraestructura eléctrica suponga un coste varias veces superior a la de los terminales de recarga.
• Elevadas tarifas de acceso a red, lo que habitualmente se conoce como el término de potencia o el término fijo de la factura eléctrica. Esto provoca unos costes de operación (OPEX) muy elevados con independencia del grado de utilización que tenga el terminal de recarga.

Sistema de baterías de soporte para estaciones de recarga

En este contexto, tal y como se adelantaba en [1][2], los sistemas de almacenamiento de energía (SAE), y en particular los sistemas basados en baterías (BESS) se presentan como un elemento facilitador para el despliegue y operación del parque de recarga QC y HPC. Los BESS pueden dotar de gran flexibilidad a estas instalaciones, reduciendo los requisitos de potencia de conexión y las inversiones de refuerzo de la red, integrando de forma óptima fuentes renovables a nivel local, optimizando los costes de suministro de energía e incluso proveyendo servicios adicionales al sistema eléctrico.

Este tipo de soluciones se venían analizado desde hace años a nivel teórico y las experiencias prácticas se reducían a pequeñas instalaciones piloto y proyectos de I+D. Sin embargo, el incremento de la penetración del VE, la reducción de los costes de las baterías de Litio, junto con la reducción de los costes de las energías renovables, en particular la fotovoltaica (FV), hace que este tipo de soluciones comiencen a ser viables. Esto ha hecho que recientemente se hayan anunciado a nivel europeo varias instalaciones de recarga con almacenamiento y que varias empresas se encuentren en el proceso de desarrollo de este tipo de soluciones, como las instalaciones piloto realizadas por EVgo en USA.

IBIL con la colaboración de CIDETEC Energy Storage (miembro del Basque Research and Technology Alliance), Irizar e-mobility, Gureak e Ingeteam, está trabajando en desarrollo de estaciones de recarga rápidas y ultrarrápidas con almacenamiento de energía. IBIL ha apostado por el desarrollo de un BESS basado en baterías de segunda de vida de autobuses eléctricos y espera desarrollar varias instalaciones piloto sobre la base de los resultados de este proyecto. IBIL tiene planeado poner en marcha antes de finales de 2020 una primera instalación de recarga de 50 kW con un BESS en una estación de servicio de Repsol. A continuación, se explican las principales actividades llevadas a cabo para el desarrollo de este tipo de soluciones.

Las instalaciones de recarga que integran almacenamiento 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, las características de comportamiento y de vida de las baterías y las diferentes funciones o servicios prestados por el sistema. Para ello, se ha desarrollado una herramienta de simulación que permite realizar de forma sistemática el dimensionamiento óptimo de sistemas de recarga de vehículo con almacenamiento. Dicha herramienta incorpora modelos dinámicos y de degradación de distintas tecnologías de baterías, basados en ensayos de caracterización y de envejecimiento. Esto permite estimar el comportamiento del BESS a lo largo de la vida de la estación de recarga y realizar estudios técnico-económicos más precisos en la fase de conceptualización y diseño.

Partiendo de los estudios iniciados en [1], se han analizado diferentes posibles arquitecturas para la integración de fotovoltaica y BESS en los puntos de recarga QC y UFC, considerando tres posibles alternativas para la conexión del BESS: a la red AC a través de un inversor bidireccional (topología 1), al bus de DC interno de los cargadores a través de un convertidor DC/DC bidireccional (topología 2) o directamente al bus DC sin convertidor (topología 3). La solución más adecuada depende también de las características de los terminales de recarga actuales, ya que por ejemplo algunos de ellos no admiten conectar baterías al bus DC intermedio. En la imagen siguiente se muestran las diferentes topologías evaluadas para el caso de una estación con un punto de recarga de 50 kW.

La topología basada en la conexión directa de las baterías al bus de DC o DC link de los convertidores resulta la más interesante ya que se evita añadir un nuevo convertidor y por tanto un coste a la instalación, la eficacia es algo mayor que en otros casos y además se logran tiempos de respuesta del BESS muy rápidos. Las desventajas están relacionadas con la necesidad de adaptar la tensión nominal de la batería a la del bus DC de los convertidores, pudiendo estar ésta en el rango de 600-1000 V dependiendo del tipo de terminal. Además, la variación máxima de tensión admitida en el bus puede afectar al aprovechamiento de la capacidad de la batería. En definitiva, las características del BESS están condicionadas en gran medida por el terminal de recarga.

Por otro lado, la topología 1 basada en la conexión del BESS a través del inversor, requiere asumir el coste adicional de este elemento, pero aporta gran flexibilidad al ser independiente del terminal y la instalación de recarga. Otra ventaja de esta solución para el caso de estaciones de recarga con varios terminales independientes es que varios terminales pueden compartir un mismo BESS, mientras que con la topología anterior cada terminal tiene su BESS asociado.

En base a lo anteriormente expuesto, IBIL apuesta por la topología 1 para las primeras instalaciones piloto, ya que de esta forma se pueden emplear terminales comerciales de 50 kW y además así se independiza un sistema del otro, de cara a tener mayor flexibilidad en una instalación piloto.

La función del BESS será la de gobernar los flujos energéticos de forma óptima desde una perspectiva técnico-económica. Los diferentes modos de funcionamiento que se implementarán son los siguientes:

• Peak Shaving: una de las funciones principales del BESS es la que habitualmente se conoce como “Peak Shaving” o reducción de picos de potencia, permitiendo reducir la potencia contrada con la red y por tanto los costes de los peajes de acceso. La estrategia de operación básicamente consiste en cargar el BESS cuando no existe demanda de recarga o esta es inferior a la potencia contratada y descargar el BESS cuando existe demanda.
• Optimización del autoconsumo fotovoltaico y arbitraje de precios: esta funcionalidad consiste en recargar el BESS en aquellos momentos en los que la generación fotovoltaica local es superior a la demanda o cuando el precio de la energía de la red es inferior a un determinado umbral y descargar la batería cuando sucede justamente lo contrario.
• Servicios complementarios: esta funcionalidad añadida a las anteriores permitiría aumentar los ingresos generados por el BESS mediante la participación en los servicios complementarios del sistema eléctrico, como por ejemplo los mercados de balance. En este sentido, cabe destacar que los servicios de balance en el sistema eléctrico español estaban reservados a los grandes sistemas de generación, sin embargo, 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 a nivel nacional la reciente resolución de la CNMC del 17 de diciembre de 2019 sobre los mercados de Balance y publicada en el BOE del 30 de diciembre, los borradores de los nuevos procedimientos de operación que responden a esta circular y el RD 23/2020 abren estos servicios a otros activos como la pequeña demanda o el almacenamiento y dan entrada a nuevos actores como el agregador independiente. 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 activos, como por ejemplo puntos de recarga.

En la figura 3 se muestra un ejemplo de operación de una estación de recarga rápida con BESS, en la que se ejecutan las tres funciones descritas. Para poder desarrollar estas funcionalidades de forma óptima y simultánea es necesario contar con predicciones de generación y consumo, que permitan planificar el uso del BESS.

A continuación, se muestra un ejemplo de los costes para una estación de carga de 1 terminal de 50 kW y una estación de recarga UFC de 500 kW (potencia total disponible en varios terminales). El estudio se basa en unas baterías de 50 kWh y 110 kWh respectivamente y 15 años de vida útil para las condiciones de funcionamiento consideradas y unas instalaciones fotovoltaicas de 20 y 40 kW respectivamente. Para realizar el estudio se han empleado unos ratios de uso diario acordes al uso actual de la infraestructura de recarga operada por IBIL y en base a las tarifas de acceso en vigor en 2020 y los costes de energía actuales. Con el objetivo de presentar unos datos más fácilmente comprensibles, no se han considerado ahorros relativos a la infraestructura eléctrica requerida, lo cual mejoraría en gran medida los resultados obtenidos.

Tal y como se puede observar la integración de BESS y FV pueden aportar ahorros reduciendo los costes de operación, aunque tal y como se ha explicado previamente la viabilidad económica dependerá de numerosos factores como el grado de utilización y la distribución temporal de la demanda, las tarifas de acceso y costes de la energía, y los costes y características de las baterías empleadas. Por todo ello es necesario emplear herramientas de diseño como la previamente descrita. Finalmente, es necesario destacar que las nuevas tarifas de acceso [3] 3.0 TDVE y 6.0 TDVE, específicamente diseñadas para vehículo eléctrico y que entrarán en vigor en abril de 2021, reparten los peajes de acceso de forma que se disminuye su peso en el término fijo y aumenta el del término variable asociado al consumo o uso del terminal. No obstante, en el momento de escribir este trabajo aún no se conoce el importe final de las mismas, ya que por el momento solo se han publicado los peajes de acceso y están pendientes los cargos que incorporarán estas tarifas.  Estas tarifas cambiarán la estructura de costes mostrada en la figura 4, así el potencial de generar ahorros de la función de peak shaving será menor y sin embargo la asociada a arbitraje de precios y optimización de autoconsumo será mayor.

Proyecto piloto con baterías de segunda vida

Tal y como se ha descrito previamente, y debido al elevado stock de baterías usadas que se prevé provenga de las flotas de autobuses, IBIL ha apostado por el desarrollo de un BESS basado en baterías de segunda de vida de autobuses eléctricos. El concepto de baterías de segunda vida básicamente consiste en reutilizar las baterías que ya han cumplido su ciclo de vida original para tracción de vehículo eléctrico, y reacondicionarlas para una aplicación estacionaria que presenta requisitos menos exigentes en cuanto a densidad de energía. Las ventajas principales que aporta este concepto es un ratio coste-prestaciones inferior al de baterías de primera vida y la activación de un proceso de economía circular. El concepto de baterías de segunda vida se viene estudiando desde hace años a nivel de I+D y recientemente han surgido varias iniciativas en este ámbito, muchas lideradas o con la estrecha colaboración de los propios fabricantes de vehículos, como Nissan, Daimler o BMW entre otros [4].

Es destacable que las baterías de segunda vida de autobús eléctrico, debido a sus características de potencia y energía y su integración electromecánica original, resultan especialmente adecuadas para esta aplicación, requiriendo menor esfuerzo de adaptación que las baterías segunda vida provenientes de vehículos tipo turismo, que en general tienen arquitecturas mecánicas más complejas.

Irizar e-mobility dispone de dos clases de flota de autobuses urbanos, que emplean dos tipos de tecnologías de baterías de litio, y que se están analizando para las diferentes tipologías y dimensiones de estaciones de recarga.

• Baterías tipo Power: basadas en celdas LTO y que están principalmente indicadas para potencias de carga/descargas superiores a 1C y un elevado número de ciclos de carga/descarga.
• Baterías tipo Energy, basadas en celdas NMC y que están indicadas para aplicaciones con potencias de descarga igual o inferiores a 1C.

Partiendo de las especificaciones técnicas del punto de recarga de 50 kW, el requisito de reducir la potencia de conexión a red de 50 a 15 kW, las características del inversor a través del cual se conectar el BESS a la red AC y las características de las baterías, se han preseleccionado y analizado distintas configuraciones. Se han definido varios escenarios de demanda de recarga en base a los cuales se han ejecutado varias rondas de simulación para estimar la degradación que experimentaría cada tipo de batería en cada escenario. Además, se han tenido en cuenta todas las restricciones técnicas, como por ejemplo rangos de tensiones admitidos por el convertidor o el rango de DOD permitido por las baterías. Como resultado, se ha obtenido un dimensionado óptimo que garantiza el suministro del servicio de recarga de 50 kW durante toda la vida del proyecto, aprovechando la batería hasta su fin de vida y minimiza la tasa de reemplazo de las baterías degradadas.

A continuación, se muestra las especificaciones y datos generales de la solución que se implementará en la estación de servicio.

La adaptación de las baterías de los autobuses de Irizar e-mobility para una aplicación estacionaria, se basa en una solución modular que parte del módulo de celdas como unidad indivisible y se ha escalado el sistema hasta dotarlo de la potencia y capacidad de energía necesaria para cumplir con los requisitos. En septiembre de 2020 el diseño de la solución de baterías se ha completado y se encuentra en fase de montaje y se prevé que su instalación junto al sistema de recaga se complete a finales de 2020. En la figura 5 se muestra como los módulos tras sacarse de su envolvente original se apilan verticalmente en una envolvente eléctrica para exteriores, empleando un sistema de refrigeración por aire en lugar de la refrigeración líquida que se empleaba en el autobús. El resto de elementos principales lo conforman la PDU, que contiene las protecciones y BMS master y el EMS o sistema de gestión de energía específicamente desarrollado para la aplicación.

Conclusiones

Los sistemas de almacenamiento de energía tienen la capacidad de mejorar la viabilidad técnica y económica de los puntos de recarga rápida y ultrarrápida en determinadas localizaciones. Cada instalación debe analizarse y dimensionarse caso a caso y para ello se ha desarrollado una herramienta software que permite realizar esta tarea de forma sistemática. Como solución de almacenamiento, IBIL está está desarrollando un sistema de almacenamiento de energía en base a baterías de segunda vida de autobuses eléctricos de Irizar-emobility y esta prevista la puesta en marcha de una primera instalación piloto a finales de 2020. Por último, se está desarrollado un sistema de gestión enérgética, que aglutina diversas funcionalidades, como reducción de picos de potencia, arbitraje de precios y optimización de autoconsumo e incluso servicios de balance para la red eléctrica.

Agradecimientos

Los trabajos de desarrollo tecnológico presentados se enmarcan en el proyecto eMovLab que está cofinanciado por el Departamento de Desarrollo Económico e Infraestructuras del Gobierno Vasco (Programa HAZITEK) y el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER).

Referencias

• [1] Zamalloa, M., et al, 2019, Experiencias en la recarga de vehículos eléctricos a alta potencia, VI Congreso Smart Grids.
• [2] Eureopan Association for Storage of Energy. Energy Storage: A Key Enabler for the Decarbonisation of the Transport Sector, 2019.
• [3] CNMC, Circular 3/2020, de 15 de enero, por la que establece la metodología para el cálculo de los peajes de transporte y distribución (CIR/DE/002/19). Publicado en el BOE 24 de enero de 2020, BOE-A-2020-1066.
• [4] Hossain, et al, 2019, A Comprehensive Review on Second-Life Batteries: Current State, Manufacturing Considerations, Applications, Impacts, Barriers & Potential Solutions, Business Strategies, and Policies, IEEE Access, vol. 7, pp. 73215-73252, 2019, doi: 10.1109/ACCESS.2019.2917859.