Gestió de la recàrrega del vehicle elèctric

WALLBOX I


El model de mobilitat al qual ens estem dirigint, basat en un parc de vehicles amb una alta proporció de models elèctrics, comporta grans reptes tècnics per al sistema de producció i distribució d'energia elèctrica.


Figura 1. Arquitectura per a la implementació de l’OCPP [3]. DSO: Distribution System Operator. EMSP: Electric Mobility Service Provider. CPO: Charge Point Operator.


Red Eléctrica de España (REE) estima que la demanda elèctrica s'incrementarà al voltant de l'1 % per cada milió de vehicles elèctrics [1]. Encara que REE ha declarat que el sistema està preparat per a la incorporació massiva de vehicles elèctrics, també reconeix que haurà de desenvolupar noves eines per fer front a escenaris més complexos [2]. Els problemes principals són fonamentalment la preocupació per la possibilitat que la demanda energètica superi la capacitat productiva, d'una banda, i que els pics de demanda superin la capacitat de distribució en certs punts de la xarxa, de l’altra banda.


Des del punt de vista d'un operador de punts de càrrega o de l'usuari domèstic, sorgeixen alguns problemes, que alhora representen oportunitats, entorn a la gestió dels sistemes de càrrega. Fonamentalment, aquests problemes són l'aprofitament de la discriminació horària tarifària per a optimitzar els costos energètics a través de la càrrega en hores vall i la consideració dels límits de potència ja sigui per la capacitat de la instal·lació o pel terme màxim de potència contractada.


Amb tot això es genera un entorn on els sistemes de gestió de càrrega adopten un paper crític i rellevant per a maximitzar el valor social, econòmic i ambiental que suposa un sistema de mobilitat basat en vehicles elèctrics. El repte no comporta només construir la infraestructura de recàrrega i proporcionar el maquinari i el programari per a una gestió intel·ligent de la càrrega (smart charging), sinó també promoure protocols de comunicació oberts que assegurin la interoperabilitat, com el protocol OCPP (Open charge Point Protocol).


En essència, els sistemes de gestió de càrrega intel·ligent consisteixen en la connexió dels punts de càrrega amb usuaris i operadors. Cada vegada que es connecta un vehicle elèctric, l'estació de càrrega envia informació (temps de càrrega, velocitat, etc.) mitjançant internet a una plataforma de gestió centralitzada ubicada al núvol. També es poden enviar dades addicionals al núvol, com ara informació sobre la capacitat de la xarxa local i quina quantitat d'energia s'està utilitzant en un moment determinat en el lloc de càrrega (casa, edifici d'oficines, supermercat, etc.). El programari de la plataforma rep i analitza automàticament les dades en temps real, i després pot utilitzar-les per a prendre decisions automàtiques sobre com i quan es carreguen els vehicles elèctrics.

La indústria de la recàrrega de vehicles elèctrics s’està desenvolupant ràpidament. Actualment, el mercat ja ofereix carregadors intel·ligents que permeten a l'usuari controlar remotament el carregador, programar sessions de càrrega i fer-ne una gestió intel·ligent. Per exemple, els fabricants ja ofereixen carregadors amb funcionalitats que els permet gestionar la distribució de l'energia en una estació amb múltiples punts de càrrega o combinar la càrrega del vehicle amb el consum de la llar sense comprometre el subministrament energètic d'aquesta última. Així, s'augmenta l'eficiència de la càrrega mentre es redueix l'estrès de la xarxa elèctrica.


Figura 2. Tipus de gestió de càrrega [4].


El que ja ofereix el mercat


El control o balanç de potència (power balancing) és una funcionalitat destinada a evitar que l'habitatge o edifici amb què el carregador comparteix el subministrament d'electricitat excedeixi el màxim contractat a causa del consum del vehicle elèctric. Excedir el límit de potència permès pot comportar penalitzacions econòmiques o la interrupció no desitjada del subministrament elèctric. És per això que aquesta funcionalitat s'encarrega de regular dinàmicament el subministrament de corrent al vehicle contrastant el màxim permès amb el consum de la llar (o de l'edifici), i pot arribar a aturar la càrrega si el consum d'aquest últim arriba al màxim.


La compartició de potència (power sharing) és una funcionalitat que s'encarrega de subministrar corrent de forma equitativa als diferents punts de càrrega actius d'una estació de recàrrega. L'operador limita la potència total a subministrar i un dels carregadors fa funcions de node coordinador i duu a terme la distribució de corrent entre la resta dels carregadors a mesura que la van necessitant. Així, sempre es garanteix l’ús de tota la potència disponible i s'evita un consum (i, per tant, un cost) excessiu per part dels carregadors. Les lògiques d'aquesta funcionalitat poden variar, però el més comú és fer una distribució equitativa del corrent entre tots els vehicles. El concepte de power sharing també estalvia a l'operador la contractació de més potència i l’actualització de la seva infraestructura de recàrrega perquè, així, en la major part dels casos, pugui satisfer la demanda de tots els vehicles sense cap cost afegit.


Finalment, el control dinàmic de potència (dynamic power sharing) és la unió de les 2 funcionalitats anteriors. En aquest cas, es mesura contínuament la potència disponible per després distribuir-la entre els carregadors actius. Com a resultat, els operadors dels punts de càrrega poden satisfer la demanda dels vehicles connectats sense haver d'augmentar la potència total de la instal·lació ni canviar els equips de protecció i subministrament. En tenir també integrades les lògiques de control de potència, el corrent màxim permès tampoc no es veurà superat pels carregadors, ja que s'anirà regulant la potència utilitzada en funció del consum de la llar o l’edifici amb què es comparteixi el subministrament.


Hi ha altres sistemes de gestió de la càrrega que, tot i tenir menys maduresa en el mercat, prometen resoldre els problemes esmentats anteriorment i alhora optimitzar els costos energètics per les càrregues a la llar. Aquests sistemes destaquen per l'ús de l'aprenentatge automàtic (machine learning) a través de l’anàlisi dels patrons de càrrega i la mobilitat dels propietaris de vehicles elèctrics. Amb el temps, aquestes solucions sabran cada vegada amb més precisió quin és el moment òptim i la potència disponible per a carregar el vehicle elèctric per satisfer les necessitats de mobilitat del propietari, tenint en compte al mateix temps els requeriments del sistema de distribució i optimitzant els costos energètics per al propietari.


D'altra banda, en la majoria d'entorns de càrrega a la llar, la càrrega de vehicles es convertirà en una part important de la potència contractada i, per tant, de la factura mensual. Així, doncs, en el futur, els sistemes de gestió de càrrega, a través de l’anàlisi de consums energètics i de les necessitats de mobilitat, sabran generar recomanacions sobre les tarifes energètiques per als gestors dels punts de càrrega.


El que aviat oferirà el mercat


El següent pas estarà determinat per la càrrega bidireccional, que ofereix la possibilitat d'utilitzar l'energia de la bateria per al subministrament domèstic (Vehicle to Home, V2H) o per a injectar-la a la xarxa (Vehicle to Grid, V2G). A més del carregador, aquesta tecnologia necessita que el vehicle estigui habilitat per a la càrrega bidireccional. Actualment, només els vehicles Nissan Leaf i Mitsubishi Outlander PHEV ofereixen aquesta possibilitat.

Figura 3. Formes avançades de gestió de la càrrega [4].


No obstant això, la resta de fabricants hauran d'incorporar aquesta funcionalitat tard o d'hora si no volen perdre competitivitat i les oportunitats de negoci derivades de l'ús de les bateries dels vehicles elèctrics com a actiu energètic. Tesla ja ha fet el primer pas i ha rebut la llicència per a convertir-se en proveïdor d'energia al Regne Unit. A més, hi ha constància de 50 projectes en curs que estudien les possibilitats de la tecnologia V2G per a prestar serveis a les companyies distribuïdores com ara control de freqüència, reserva d'energia i gestió de la demanda [5].


La bidireccionalitat en el procés de càrrega del vehicle elèctric, així com la possibilitat de controlar remotament la càrrega o descàrrega, converteix els vehicles elèctrics en bateries sobre rodes, susceptibles de formar una central virtual capaç de prestar serveis a la xarxa per suavitzar pics de demanda i evitar l'aportació de centrals tradicionals que fan servir combustibles fòssils, emmagatzemar energia en períodes d’una generació elevada i facilitar altres serveis com l’ajustament de freqüència.

Figura 4. Carregador bidireccional per al mercat domèstic.


Els carregadors bidireccionals seran compatibles amb instal·lacions fotovoltaiques i amb bateries domèstiques per tal d’aconseguir la màxima optimització de l'energia renovable generada de manera distribuïda. Podran ser operats remotament per agregadors o per les mateixes companyies elèctriques mitjançant protocols de comunicació estandarditzats com l’OCPP, del qual hem parlat anteriorment, la qual cosa crearà valor tant per a l'operador remot com per al propietari del carregador. Apareixeran nous models de negoci (en alguns països ja han aparegut), com ara l’habilitació de franges horàries amb descomptes especials per realitzar la càrrega del vehicle en un moment determinat o compensar l'aportació de les bateries o dels excedents fotovoltaics abocats a la xarxa en moments d'alta demanda.


Al mercat espanyol, el panorama és molt interessant després de la recent aprovació del Reial Decret-Llei 23/2020, que incorpora a l'ordenament jurídic nous models de negoci lligats a les energies renovables i la transició energètica [6].


En conclusió, els beneficis de la gestió de la càrrega es poden resumir de la següent manera per a les diferents parts interessades:

  • Operadors de xarxa: optimització i estabilització d'operacions en una xarxa equilibrada.

  • Gestors de punts de càrrega, agregadors i proveïdors de serveis de mobilitat elèctrica: més control, més models de negoci i més estalvi de costos.

  • Propietaris de vehicles elèctrics: càrrega més senzilla, segura, ecològica i econòmica.

Fonts


[1] Red Eléctrica: el sistema está preparado para asumir el 'despegue' del coche eléctrico. https://www.elindependiente.com/economia/2018/12/19/red-electrica-el-sistema-esta-preparado-para-el-coche-electrico/

[2] Red Eléctrica de España. Vehículo Eléctrico. https://www.ree.es/es/red21/vehiculo-electrico

[3] Open Charge Alliance. Importance of Open Charge Point Protocol for the Electric Vehicle Industry. https://www.openchargealliance.org/uploads/files/OCA-EN_whitepaper_OCPP_vs_proprietary_protocols_v1.0.pdf

[4] Innovation Outlook. Smart Charging for Electric Vehicles. IRENA. 2019.

[5] V2G Global Roadtrip: around the world in 50 projects. https://www.v2g-hub.com/

[6] Boletín Oficial del Estado.Real Decreto-Ley 23/2020, del 23 de junio, por el que se aprueban medidas en materia de energía y en otros ámbitos para la reactivación económica. https://www.boe.es/boe/dias/2020/06/24/pdfs/BOE-A-2020-6621.pdf