Construcción de la infraestructura de carga de vehículos eléctricos (ART3034S)

Por Robert Huntley para Mouser Electronics

Publicado el 20 de febrero de 2020 y traducido el 11 de agosto de 2021 al portugués con permiso de Mouser Electronics

 

En todo el mundo, la carrera ha comenzado para reemplazar nuestros vehículos propulsados por combustibles fósiles por vehículos eléctricos. Se espera que la tasa de adopción de vehículos eléctricos (EV) aumente extremadamente rápido. Esta rápida adopción anticipada de los vehículos eléctricos requerirá un cambio significativo en el número de estaciones de carga disponibles en comparación con los números desplegados en la actualidad. En este artículo, investigamos cómo una mayor adopción de vehículos eléctricos exigirá la infraestructura de distribución de energía y algunas de las consideraciones que deben tenerse en cuenta al planificar la infraestructura de carga de vehículos eléctricos.

 

Proyecciones de crecimiento de EV (VE)

Los artículos sobre vehículos eléctricos a menudo comienzan con estadísticas impresionantes sobre las tasas de crecimiento, y es tentador hablar sobre las ventas proyectadas de vehículos eléctricos. Un número de la organización Energy Innovation predice que el inventario global de vehículos eléctricos de pasajeros será de alrededor de 250 millones para 2030 (Figura 1), con ventas de alrededor de 44 millones por año en ese momento. Esto es en el escenario EV30 @ 30, donde el 30% de todos los vehículos eléctricos (excepto los de dos ruedas) tienen una participación de mercado global del 30% para 2030. El número incluye automóviles, autobuses y camiones en versiones híbridas y totalmente eléctricas. Así que no resista la tentación, pero debe haber una verificación de la realidad: ¿cuáles son las tasas de error en esta trayectoria de crecimiento y cuáles son las suposiciones y riesgos identificados? Profundice y algunos de los datos de crecimiento de diferentes fuentes muestran amplias variaciones. Las cifras de ventas citadas incorporan supuestos sobre cambios en la asequibilidad de los vehículos eléctricos, futuras mejoras tecnológicas, precios del petróleo, incentivos regulatorios y "docenas" más. También depende en gran medida de la absorción en China, que era el 45 por ciento del mercado en 2018, en comparación con el 24 por ciento en Europa y el 22 por ciento en los Estados Unidos. Otro número de la Administración de Información de Energía de EE. UU. (EIA), Annual Energy Outlook 2020, muestra las ventas totales de vehículos con batería de mucho menos de un millón de vehículos de EE. UU. En el año 2030, menos de una décima parte del pronóstico de la IEA si la división del porcentaje geográfico sigue siendo la misma. Él predice que los vehículos a gasolina seguirán dominando las ventas hasta 2050 y más allá. Entonces, haz tu elección.

 

Figura 1: Inventario global proyectado de todos los vehículos eléctricos de 2018 a 2030. (Fuente: EIA)
Figura 1: Inventario global proyectado de todos los vehículos eléctricos de 2018 a 2030. (Fuente: EIA) | Haga click en la imagen para ampliar |

 

 

Influyentes en la adopción de vehículos eléctricos

Los vehículos eléctricos son actualmente relativamente caros, por lo que los pronósticos optimistas asumen que los precios disminuirán con el volumen y las mejoras tecnológicas, pero el volumen solo aumentará si los precios caen. Me vienen a la mente pollos y huevos. Algunos fabricantes admiten perder dinero en cada automóvil vendido en un esfuerzo por estimular el mercado, pero este no es un gran modelo de negocio y pone a prueba la paciencia de los inversores. La presión del gobierno es otro factor; Con los objetivos de cambio climático que alcanzar y los niveles de contaminación que controlar, las administraciones de todo el mundo han anunciado objetivos para prohibir el motor de combustión interna (ICE) en determinadas fechas. El título impresiona, pero a menudo significan prohibir los vehículos exclusivos de ICE, dejando a los híbridos en la mezcla indefinidamente. Los fabricantes de automóviles juegan con las palabras de la misma manera, tratando desesperadamente de no "inundar" sus activos de fabricación de ICE con promesas de líneas eléctricas 100% a su alcance en una fecha futura, cuando en realidad se refieren a 100% totalmente eléctricas o híbridas.

Otra cosa que puede afectar los precios de los vehículos eléctricos son los precios del petróleo. Los precios del petróleo afectan la absorción futura de vehículos eléctricos con su propia dinámica de precios. Si bien los precios se han mantenido relativamente estables recientemente, la geopolítica ha tenido efectos dramáticos, al igual que cualquier subsidio gubernamental. Si el precio del barril de petróleo vuelve a bajar a menos de 20 dólares (ajustado por inflación), como lo hizo en 1998, en comparación con el valor actual de alrededor de 54 dólares, los consumidores pueden volver a pensar en los costos de funcionamiento del petróleo. Actualmente, un vehículo eléctrico alcanza alrededor de 70 kilómetros por cada dólar de electricidad, aproximadamente una cuarta parte del costo de un automóvil o SUV a gasolina.

Los argumentos para mitigar el cambio climático y mejorar el medio ambiente pueden desaparecer si los costos operativos y de compra de vehículos eléctricos no brindan un incentivo para cambiar los ICE, incluso cuando la Organización Mundial de la Salud informa 4.2 millones de muertes prematuras en todo el mundo, vinculadas a la contaminación del aire.

 

Alcanzar la ansiedad

Una barrera para la captura de vehículos eléctricos es la preocupación por la carga. Los vehículos eléctricos originales tenían una autonomía de sólo 160 kilómetros o más, convirtiéndolos en un producto de nicho para un tipo específico de conductor que solo realizaba viajes cortos y regresaba a la base con frecuencia para una "recarga". Las cosas han mejorado, con un alcance de alrededor de 300 millas ahora para los mejores modelos, pero la ansiedad aún persiste con la suposición de que los puntos de recarga son escasos. Ciertamente, es un hecho que un vehículo eléctrico "varado" sin energía no se puede reactivar simplemente con una batería de repuesto de un buen samaritano que pasa.

En comparación con las estaciones de servicio, las "estaciones" de recarga pueden parecer pocas y distantes entre sí, pero eso es solo oferta y demanda; en los EE. UU., Hay alrededor de 270 millones de automóviles y 150.000 estaciones de servicio, con, digamos, ocho surtidores, lo que da alrededor de 225 automóviles por surtidor. Compare eso con el número global de alrededor de cinco millones de vehículos eléctricos y alrededor de 410.000 puntos de carga públicos, lo que da 12 vehículos eléctricos a cada estación de carga, ¡una disponibilidad 18 veces mayor! Si tiene en cuenta los puntos de carga en casa y en la oficina, tiene casi la paridad: un punto de carga por cada EV.

Claramente, la comparación no puede ser sencilla; un tanque de gasolina se puede recargar en unos diez minutos, tal vez quince con un descanso cómodo y una lata de refresco en la tienda de conveniencia. Sin embargo, recargar una batería puede llevar horas de un cargador "lento" en una parada de servicio de la carretera, por lo que, si todos los puntos de carga están en uso y la próxima temporada está lejos, este número de disponibilidad no es muy cómodo.

Dado que todos quieren creer en el futuro de los vehículos eléctricos, podemos esperar que la infraestructura se construya para que coincida con uno de los escenarios de absorción previstos, con suerte el correcto. Sin embargo, habrá un sobredimensionamiento o subestimación con incertidumbre sobre la demanda y con variables locales a tener en cuenta. Puede estar seguro de que Noruega, donde alrededor del 60 por ciento de las ventas de automóviles nuevos son vehículos eléctricos, tendrá más puntos de carga instalados en los próximos años que el Reino Unido, por ejemplo, donde la cifra fue del 1,6 por ciento para los nuevos registros de vehículos eléctricos en 2019.

 

Suministro de ansiedad

Si bien el alcance es algo de lo que preocuparse, ¿debería el suministro eléctrico futuro también estar ahí arriba? Por el momento, la carga en la red de carga de vehículos eléctricos apenas se registra, y para 2050, según Bloomberg ENF, seguirá representando solo el 9 por ciento de la demanda global, que creció un 57 por ciento con respecto a las cifras de 2018., Se espera que la energía de carga de vehículos eléctricos para 2050 para alcanzar de 800 a 900 terawatts hora con un consumo total de aproximadamente 30 000 terawatts hora (Figura 2).

 

Figura 2: Demanda anual de electricidad por LDV eléctricos en los EE. UU. En el escenario BAU, y en un escenario con caídas graduales de costos que alcanzan el 40 por ciento del valor BAU en 2050. (Fuente: Energy Innovation)
Figura 2: Demanda anual de electricidad por LDV eléctricos en los EE. UU. En el escenario BAU, y en un escenario con caídas graduales de costos que alcanzan el 40 por ciento del valor BAU en 2050. (Fuente: Energy Innovation) | Haga click en la imagen para ampliar |

 

Hacemos suposiciones sobre las mejoras tecnológicas. Por ejemplo, los vehículos eléctricos actualmente solo tienen entre un 59 y un 62 por ciento de eficiencia en la transferencia de energía de la batería a la energía de la rueda, por lo que se esperan algunas mejoras. (Compare esto con los ICE, con solo un 17 a 21 por ciento de eficiencia en la conversión de energía química de gas a fuerza motriz). Las cifras citadas hasta ahora para las ventas de vehículos eléctricos y el consumo de energía se refieren únicamente a los vehículos ligeros (LDV)). Si los camiones eléctricos se hacen realidad, las cifras podrían ser demasiado conservadoras. Las escalas de tiempo asociadas con la construcción de las estaciones de carga necesarias y la actualización de la infraestructura de servicios públicos se extienden mucho más allá de los términos de la administración gubernamental y las políticas inmediatas, pero los proveedores de servicios públicos creen en la inevitabilidad a largo plazo de los vehículos eléctricos y planean tener suficiente suministro de energía base. Con la expansión de la infraestructura a un mercado general en crecimiento de todos modos, la participación del 9 por ciento para la carga de vehículos eléctricos no se ve como un problema a nivel de generación. Sin embargo, en la distribución, a medida que se acerca al cable de carga en el automóvil, la situación es diferente (Figura 3).

 

Figura 3: La distribución de alto voltaje tendrá capacidad de carga de vehículos eléctricos. (Fuente: Bukhta Yurii / shutterstock.com)
Figura 3: La distribución de alto voltaje tendrá capacidad de carga de vehículos eléctricos. (Fuente: Bukhta Yurii / shutterstock.com) | Haga click en la imagen para ampliar |

 

 

Hardware de distribución para futuras necesidades de carga de vehículos eléctricos

Históricamente, la demanda de electricidad es baja por la noche, con picos de carga quizás a las 7 am cuando la gente comienza sus actividades diarias. El pico vuelve a ocurrir temprano en la noche, cuando la gente regresa a sus hogares y la calefacción / refrigeración es más intensa. Al agregar la carga de vehículos eléctricos domésticos a la mezcla, el patrón cambia drásticamente, y la carga ahora alcanza su punto máximo durante la noche, por lo que el automóvil está listo para conducir por la mañana... Los cargadores domésticos estándar pueden ser de 3 o 7 kW, demorando de 6 a 12 horas en cargar un vehículo eléctrico completo o de 2 a 4 horas en un vehículo eléctrico híbrido enchufable (PHEV). Esto es "simplemente" como hacer funcionar uno o dos calentadores de alta potencia durante toda la noche, pero los cargadores "rápidos" pueden tener una potencia nominal de hasta 22 kW. Esto ahora se está acercando al umbral de suministro interno entrante y generalmente es un nivel pico más alto que sin un EV y ciertamente un nivel promedio mucho más alto durante 24 horas. Este es un estrés adicional inmediato en la red de distribución local a medida que más hogares adquieren vehículos eléctricos, con transformadores de polos que reducen las tensiones a niveles domésticos zumbando ruidosamente en protesta. La red de distribución de alta tensión y las plantas pueden hacer frente mejor, ya que también están clasificadas para abastecer a la industria, que alcanza su punto máximo en otro momento. Por lo tanto, la infraestructura de suministro local puede ser el primer cuello de botella, con variaciones locales significativas: los apartamentos de la ciudad, por ejemplo, pueden tener plazas de aparcamiento, pero el suministro de electricidad de los vehículos eléctricos no vendrá directamente del suministro del consumidor final, se mediría, sino que se agregaría a un mayor nivel de servicios públicos, donde la carga se "nivela" en el mercado doméstico e industrial, y dentro de las clasificaciones de hardware. Lo mismo ocurre con los puntos de carga rápida públicos y en las carreteras, donde la carga se realiza más directamente en la red de alta tensión.

 

Ganar/ganar con energías renovables

Una objeción de larga data a los vehículos eléctricos es que no son tan "verdes" como parecen si la energía eléctrica para cargar proviene en última instancia de generadores de carbón o gas sucios. La situación está cambiando con el aumento del uso de energía renovable, pero con la desventaja de un suministro poco confiable sin sol para la energía solar nocturna y viento impredecible para las turbinas. Idealmente, algunos medios de almacenamiento de energía para nivelar la capacidad de suministro serían ideales, pero no hay soluciones perfectas: el almacenamiento hidroeléctrico en lagos solo se adapta a cierta topografía, por ejemplo. Si bien existen algunas ideas prometedoras, como el almacenamiento de gas comprimido en roca, una posibilidad es usar las baterías EV combinadas para "pedir prestada" energía a la red como un amortiguador a cambio de un descuento en su factura (Figura 4).

 

Figura 4: La energía solar se puede almacenar en baterías EV. (Fuente: Thinnapob Proongsak / shutterstock.com)
Figura 4: La energía solar se puede almacenar en baterías EV. (Fuente: Thinnapob Proongsak / shutterstock.com) | Haga click en la imagen para ampliar |

 

Devolver energía a la red requiere cargadores bidireccionales, pero la tecnología existe. Si sabe que su automóvil no se usará, el concesionario podría estar agotando y recargando la batería para su beneficio sin afectarlo, siempre que el cargador inteligente esté programado para saber cuándo necesita que el automóvil esté completamente cargado y listo para funcionar.

 

Conclusión

A medida que aumenta la adopción de vehículos eléctricos, esperamos que la infraestructura siga el ritmo de los escenarios de crecimiento previstos. Sin embargo, planificar la infraestructura de carga de los vehículos eléctricos es una tarea complicada porque se deben tener en cuenta muchas variaciones locales y de los consumidores. Algunos de los factores que influirán en la adopción de vehículos eléctricos incluyen los gastos de compra de vehículos eléctricos, las regulaciones gubernamentales que fomentan el uso de vehículos eléctricos, las fuentes de electricidad, el papel de la energía renovable y las preocupaciones sobre el acceso y la disponibilidad de estaciones de carga rápida. Como todos estos factores pueden influir en gran medida y agregar incertidumbre a la tasa de adopción de vehículos eléctricos, queda por ver si la infraestructura de carga esperada apoyará la demanda.

 

 

 

  Robert Huntley es un ingeniero calificado y escritor técnico. Basándose en su experiencia en telecomunicaciones, sistemas de navegación e ingeniería de aplicaciones integradas, escribe una variedad de artículos técnicos y prácticos en nombre de Mouser Electronics.
Robert Huntley es un ingeniero calificado y escritor técnico. Basándose en su experiencia en telecomunicaciones, sistemas de navegación e ingeniería de aplicaciones integradas, escribe una variedad de artículos técnicos y prácticos en nombre de Mouser Electronics.