Comunicación presentada al IV Congreso Smart Grids:
Autores
- Benedikt Kirpes, Sonja Klingert &Tomas Schulze, Investigadores, Information Systems II, Univ. Mannheim, Alemania.
- Markus Eider & Andreas Berl, Investigadores, Instituto de Tecnología de Deggendorf, Alemania.
- Robert Basmadjian, Investigador Postdoctorado, Universidad de Passau, Alemania.
- Hermann de Meer, Jefe de Dept., Computer Networks and Computer Communications, Univ. Passau, Alemania.
- María Pérez Ortega, Jefa de Programa Innovación, Gfi nv, Bélgica.
Resumen
La electromovilidad se presenta como una posibilidad interesante para reducir las emisiones de CO2 en el sector del transporte y la automoción. Sin embargo, al mismo tiempo, la creciente implantación de vehículos eléctricos (VEs) comporta ciertos desafíos para todo el sistema eléctrico, especialmente para las redes eléctricas. Una carga coordinada de vehículos eléctricos podría ayudar a aliviar la presión que el creciente sector de e-movilidad ejercerá en las redes eléctricas. A continuación, presentaremos la solución para una carga coordinada que propone ELECTRIFIC – proyecto financiado por la CE, mediante la combinación de tres componentes diferentes de software: un sistema avanzado de asistencia a la conducción (ADAS) que ayuda a los conductores de vehículos eléctricos a planear sus cargas e itinerarios, un cargador inteligente que ajusta su capacidad para cada punto de carga teniendo en cuenta las necesidades de la red eléctrica y un planificador de carga que optimiza la carga de flotas de vehículos eléctricos de manera que ésta sea respetuosa con la batería.
Introducción
La e-movilidad es la respuesta a muchos problemas de nuestro actual estilo de vida: Reduce la contaminación atmosférica en áreas urbanas, evita problemas de salud relacionados con altos niveles de ruido y, potencialmente, utiliza para las baterías electricidad generada desde fuentes de energía renovable. Para aumentar todo su potencial, sin embargo, el atractivo de la electro-movilidad debe aumentar. Altos costes de adquisición y la llamada “ansiedad de autonomía” son actualmente los principales obstáculos para la adopción generalizada de una movilidad basada en vehículos eléctricos. Sin embargo, tan pronto como esos obstáculos se reduzcan y los vehículos eléctricos sean usados por una mayoría de conductores, la red eléctrica se enfrentará a grandes desafíos como los picos de demanda o la calidad de la energía (por ejemplo, fluctuaciones de voltaje) como consecuencia de una previsible carga descoordinada. Una posible solución está en reconciliar estos desafíos emergentes con la red eléctrica.
ELECTRIFIC es un proyecto I+D financiado por la CE en el que se ofrece solución a la compleja interrelación entre el atractivo de los vehículos eléctricos, la aceptación de éstos por parte de los usuarios y la presión sobre la red eléctrica. El concepto de ELECTRIFIC comprende la carga coordinada de múltiples vehículos eléctricos, la predicción del consumo y demanda de energía por parte de la electro-movilidad y la monitorización de la repercusión en la calidad energética de la red, al mismo tiempo que pretende maximizar el uso de energías renovables a la hora de cargar los vehículos eléctricos.
La solución software propuesta ofrece diferentes servicios de movilidad al conductor de vehículo eléctrico que comprenden la planificación del viaje, la selección de puntos de carga e incluso la reserva de un vehículo concreto de una flota eléctrica de acuerdo a los requisitos del viaje a realizar. Para lograrlo, el sistema avanzado de asistencia a la conducción (ADAS), en forma de aplicación móvil, sugiere una ruta optimizada y diferentes opciones de carga para el conductor. Los aspectos derivados del comportamiento de los conductores de vehículos eléctricos con el ADAS son tratados con un enfoque interdisciplinar, combinando la experiencia y conocimiento de informáticos, economistas y psicólogos.
La solución Electrific
ELECTRIFIC ofrece no sólo una solución técnica software, sino que comprende modelos de negocio para proveedores de servicio, esquemas de precios, diseño de contratos entre stakeholders y esquemas de incentivos para usuarios finales. Esta aproximación técnica consiste en tres componentes que interactúan uno con otro: los ADAS para coordinar los procesos de carga pública y privada, el cargador inteligente para ajustar la capacidad de carga durante la misma dependiendo del estado de la red y el planificador de carga para flotas.
Sistema Avanzado de Asistencia a la Conducción (ADAS)
Uno de los mayores desafíos para la carga coordinada es cambiar el comportamiento del conductor y conseguir que éste conecte su vehículo teniendo en cuenta el estado de la red eléctrica, tanto para evitar congestiones como para maximizar el uso de renovables. La lógica detrás del ADAS es una combinación de carga y navegación inteligentes que se apoya en incentivos monetarios y psicológicos.
El interfaz del ADAS de ELECTRIFIC
El interfaz gráfico del ADAS es una aplicación móvil que ayuda a ahorrar tiempo, dinero y a ser respetuoso con el medio ambiente. De manera transparente, se despliegan varias alternativas de ruta y opciones de carga con diferentes etiquetas de coste, duración y ecología.
En la Figura 2 se muestra la idea existente tras una ruta inteligente: En un inicio, el conductor necesita especificar el viaje y las actividades planeadas que deben ser completadas en un determinado espacio de tiempo, por ejemplo, un día. Esto incluye restricciones personales que puede tener determinado conductor, como última hora posible de llegada a un punto o la hora de salida más temprana que puede asumir en otro. Una serie de algoritmos de ruta calcula computa la ruta más rápida, más barata y más ecológica incluyendo las opciones de carga disponibles. Las tres características de la ruta (coste, ecología, tiempo) se componen de diferentes parámetros. Por ejemplo, el factor coste incluye la degradación potencial de la batería y los precios de la carga.
En el ejemplo que se muestra en la Figura 2, el usuario de vehículo eléctrico especificó un viaje con dos actividades: guardería y supermercado. La línea azul representa la ruta más rápida que puede ser la misma ruta que sugeriría un sistema de navegación tradicional. La ruta menos costosa es la línea roja que sugiere un punto de carga cerca de la guardería. Este punto de carga, por ejemplo, tiene un punto de carga lento con bajo impacto en la red eléctrica y, por tanto, es más barato comparado con otros puntos de carga de la zona. La tercera ruta alternativa propuesta por el ADAS es la ruta más ecológica. En este ejemplo, esta ruta es la más verde porque el punto de carga del supermercado está alimentado por un tejado fotovoltaico. En el tiempo de carga que el ADAS propone se espera que haya sol. Puesto que este punto de carga está altamente frecuentado y ofrece carga rápida, resulta una alternativa más costosa que la segunda ruta propuesta.
La “parte trasera” del ADAS de ELECTRIFIC
Para poder calcular estas tres rutas, deben ser consideradas diferentes variables. Es esencial contar con información sobre el estado de la red y la calidad energética de la misma, además de disponer de las previsiones referentes a la disponibilidad de energía procedente de fuentes renovables o de la estimación de precio o planificación de picos, entre otros. Además, es preciso recoger los datos de conducción y de carga de otros conductores de vehículos eléctricos, analizarlos y procesarlos. Por otro lado, las sugerencias de conducción y carga deberían formar parte del perfil y preferencia del usuario. ¿Cómo logra el ADAS disponer de todas estas variables? Mediante la conexión a una multitud de Micro-servicios vía API. Estar conectado a estos servicios modulares, permite a la solución ELECTRIFIC ser interoperable con otros sistemas. Esta arquitectura hace que los restantes componentes técnicos puedan interactuar de manera sencilla e intercambiar la información pertinente y necesaria entre ellos.
Cargador inteligente
Actualmente, el proceso de carga de los vehículos eléctricos toma sólo en consideración un objetivo (la carga en si misma) sin tener en cuenta otros factores, tales como el estado de la red o la disponibilidad de energías renovables. Con ELECTRIFIC se integra cierto nivel de inteligencia durante el proceso de carga que considera no sólo el objetivo de cargar el vehículo sino también el estado de la red eléctrica en términos de calidad energética, el porcentaje de energía renovable disponible o la capacidad energética disponible. Lograrlo requiere de un esfuerzo adicional de coordinación entre los diferentes actores implicados. Para la implementación de una carga inteligente (ver Figura 3), tanto el Operador del Sistema de Distribución como el Proveedor de Servicio de Carga precisan estar en estrecha comunicación.
El Distribuidor debe enviar, con una frecuencia específica de, por ejemplo, cada 15 minutos, las previsiones sobre la capacidad de la red (incluyendo información sobre energías de fuentes renovables), así como los datos referentes a las fluctuaciones del voltaje, oscilaciones, etc. El proveedor de los puntos de carga, tras recibir esta información, puede calcular la capacidad disponible para cargar los vehículos eléctricos sin perjudicar los medidores de calidad eléctrica tales como fluctuaciones, oscilaciones, harmónicos, etc. Estos cálculos sirven para proveer los ADAS con toda la oferta disponible por parte de los proveedores de puntos de carga. Los puntos de carga se enumeran en base a los conectores de carga disponibles.
Además de la antes mencionada fase de planificación de carga del vehículo eléctrico, el cargador inteligente tiene también la responsabilidad de comprobar regularmente el estado de la red eléctrica. Debe tomar medidas apropiadas cuando las condiciones de estabilidad de la red están en peligro, por ejemplo, si durante la carga del vehículo eléctrico las condiciones de calidad energética de la red cambian drásticamente. Un cargador inteligente tiene este factor en cuenta y empieza a reducir gradualmente la carga de cada conexión para los EVs ya conectados hasta que el estado de la red vuelve al nivel verde/amarillo de acuerdo con el concepto de semáforo (ver Figura 4).
Si todavía los valores de calidad energética están en nivel rojo, el cargador inteligente para completamente el proceso de carga para poder garantizar la estabilidad de la red. De este modo, es visible el hecho de que para el cargador inteligente la estabilidad de la red tiene la máxima prioridad.
Planificador de carga
Puesto que la electro-movilidad no está sólo restringida a los vehículos eléctricos de usuarios particulares, sino también a flotas comerciales, deben llevarse a cabo acciones mayores. En el caso de Alemania, más del 90 % de los vehículos eléctricos del país pertenecen a operadores de flotas eléctricas. Por esta razón, se desarrolla un planificador de carga (ver Figura 5) que optimiza el proceso de carga de una flota completa de acuerdo a diferentes criterios.
Para este objetivo, diferentes parámetros de datos deben incorporarse en la solución técnica. Primero, el conocer el estado de carga de cada batería al inicio de una planificación es crucial. Es necesario para determinar qué energía se requiere para cargar la batería al 100 %. Segundo, el planificador de carga precisa saber el horario de reservas de la flota; por ejemplo, cuándo es necesario cada uno de los vehículos eléctricos para un determinado tipo de viaje. Basándose en estos datos, el planificador de carga puede obtener un intervalo de tiempo en el que un proceso de carga puede llevarse a cabo. Dependiendo del horario de reservas, algunos vehículos eléctricos pueden necesitarse a primera hora de la mañana mientras otros son requeridos más tarde. Por dicha razón, el planificador de carga debe priorizar la carga de los primeros para garantizar su disponibilidad para los clientes o empleados de un operador de flota eléctrica.
Además de estas precondiciones básicas, el operador de flota eléctrica es provisto de cuatro criterios de optimización: (1) maximización del uso de energías renovables, (2) el aumento de la estabilidad de la red, (3) la disminución del precio de la electricidad a la hora de cargar la flota y (4) la protección de la salud de las baterías de sus vehículos eléctricos. Para los tres primeros criterios, son necesarias las previsiones de la infraestructura de carga para poder planear el horario de carga de las próximas horas o días. En el caso del criterio 1, son precisas una serie de previsiones sobre el ratio de electricidad procedente de fuentes renovables (% REN) para un cierto intervalo de tiempo. De este modo, el planificador de carga puede decidir para qué intervalos de tiempo debe poner en marcha procesos de carga que cuenten con un % REN alto. De una manera similar, una previsión de la capacidad energética disponible es precondición necesaria para poder planificar procesos de carga que puedan explotar la red energética sin que se produzcan caídas. Por ejemplo, en intervalos de sobreproducción, los VEs podrían almacenar la energía que no ha sido utilizada por otros consumidores en la red. Puesto que los operadores de flotas eléctricas desean, lógicamente, optimizar su negocio, el criterio 3 debe ayudarlos. Basándose en una predicción de los precios eléctricos a determinadas horas en el futuro, los horarios de carga pueden organizarse de acuerdo a ellos y, consecuentemente, el operador de la flota pagar menos por la electricidad que necesita. Como último criterio de optimización, el 4 se basa en la idea de prolongar la vida de las baterías de los vehículos eléctricos. Aquí, diferentes técnicas de carga (por ejemplo, carga lenta a aproximadamente 3.7 kW o carga rápida desde 20 a más de 50 KW) pueden tener una influencia diferente sobre el proceso de degradación de la batería. Analizando el estado de salud de la batería a priori y mediante la investigación de la influencia del tipo de carga en la misma, se puede crear un horario individual que ayude a conservar la salud general de las baterías de la flota.
Los actuales procesos de carga, propuestos en el horario de carga, necesitan ser aceptados manualmente por el operador de la flota en un último paso puesto que esto influencia de forma significativa su negocio. Con la solución propuesta sería posible que el operador de la flota pudiera aceptar o mover slots (espacios) de tiempos de carga de forma sencilla a través de una interfaz gráfica según decida. Consecutivamente a este proceso, el planificador de carga procede a reservar los puntos de carga de modo que el vehículo eléctrico podrá posteriormente cargarse de acuerdo al horario. Además, los procesos de carga individuales están controlados por el cargador inteligente, como se ha explicado previamente.
Evaluación y perspectivas
La solución ELECTRIFIC ofrece un enfoque integral para conseguir una carga coordinada a gran escala, considerando los intereses de los usuarios finales, de los proveedores de puntos de carga, de los operadores de flotas eléctricas y de los proveedores eléctricos. Diferentes componentes técnicos de diversos actores en el ecosistema de la electro-movilidad interactúan y colaboran entre ellos con el objetivo de gestionar la coordinación distribuida de la carga de vehículos eléctricos. Estos componentes se desarrollan, prueban y evalúan de acuerdo a asegurar la estabilidad de la red eléctrica, amenazada por un creciente impacto debido al previsible aumento de vehículos eléctricos. Se van a llevar a cabo experimentos en Alemania, España y la República Checa. Además de los desafíos técnicos, como por ejemplo las limitaciones estructurales, en las diferentes áreas, también deben considerarse diversos desafíos económicos y regulatorios. El mercado de la electro-movilidad, en constante evolución, precisa de nuevos marcos legales y modelos de negocio que tengan en cuenta las futuras innovaciones técnicas.
Agradecimientos
Esta investigación está financiada por el programa de investigación e innovación Horizon 2020 de la Unión Europea bajo el “grant agreement” nº 713864 (Proyecto ELECTRIFIC).
Referencias
Bühne, J.A., Gruschwitz, D., Hölscher, J., Klötze, M., Kugler, U., Schimeczek, C., 2015. How to promote electromobility for European car drivers? Obstacles to overcome for a broad market penetration. European Transport Research Review.
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Yilmaz, M., Krein, P.T., 2013. Review of battery charger topologies, charging power levels, and infrastructure for plug-in electric and hubrid vehicles. IEEE Transactions on Power Electronics.
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Eider, M., Sellner, D., Berl, A., Basmadjian, R., de Meer, H., Klingert, S., Schulze, T., Kutzner, F., Kacperski, C, Stolba, M., Mayo 2017. Seamless Electromobility. In Proceedings of the Eight International Conference on Future Energy Systems.
ELECTRIFIC Project, 2016. Trial technology assessment report. http://electrific.eu/wp-content/uploads/2016/12/D8.1-Trials-technology-and-data-assessment_v1.3_WEB.pdf (30/08/2017).