L’ús de l’electricitat com a vector energètic de futur

ROBERTO VILLAFÁFILA ROBLES I CITCEA – UPC

Membre equip directiu – Professor departament d’Enginyeria Elèctrica


El retorn a la tracció elèctrica, tal com mostra aquest monogràfic, és un repte polièdric que porta implícit diferents vèrtexs: l’ambiental, l’econòmic, la digitalització, la tecnologia d’automoció, la mobilitat, i per suposat, l’energia. Tots els àmbits estan interrelacionats, però en l’àmbit energètic, les qüestions principals que a les que cal donar resposta són l’origen de l’energia per a bellugar els motors elèctrics, la infraestructura necessària per a subministrar aquesta energia i el cost que tindrà aquest subministrament per l’usuari.




Origen de l’energia elèctrica


L’electricitat que mou els motors elèctrics dels vehicles elèctrics pot provenir de bateries electroquímiques o piles de combustible d’hidrogen, ambdós sistemes d’emmagatzematge descrits a l’article “Baterías para movilidad eléctrica”. Les bateries emmagatzemen energia connectant-se a instal·lacions que formen part d’un sistema elèctric, on un conjunt de centrals elèctriques generen l’electricitat que arriba a les instal·lacions a través de les xarxes elèctriques de transport i distribució. En el cas de l’hidrogen, es pot obtenir principalment per reformat d’hidrocarburs i per electròlisi de l’aigua fent servir electricitat.



Si un dels principals incentius d’aquesta electrificació és la reducció de gasos d’efecte hivernacle, de contaminants i de soroll associat a l’ús dels vehicles de combustió, aquesta descarbonització i millora de la qualitat ambiental només serà possible si les centrals de generació elèctrica no fan servir combustibles fòssils, doncs si no, es passaria d’una qüestió dispersa (considerant cada vehicle) a una qüestió concentrada (considerant cada central elèctrica). A més, aquesta tecnologia elèctrica presenta un menor impacte ambiental durant tot el seu cicle de vida, no només durant la seva utilització, tal com s’indica a l’article “¿Cuánto contamina un coche elèctric?”.


L’agenda política energètica a la Unió Europea proposa una transició energètica i fer servir principalment les energies renovables com a fonts d’energia per tal d’aconseguir la neutralitat climàtica en el 2050. Altrament, com les renovables són un recurs autòcton, aquest objectiu també pretén garantir la seguretat de subministrament energètic a llarg termini.


En el cas d’Espanya, i el sector elèctric en particular, l’objectiu de la “Ley de Cambio Climático y transición energética” és que el 100% de la generació elèctrica sigui d’origen renovable. Però com afecta això al sistema elèctric?




En un sistema elèctric basat en generació renovable, cal tenir present el comportament estocàstic dels recursos renovables per a que es generi l’electricitat, ja que aquesta té la particularitat de què no es pot emmagatzemar a gran escala. Com que l’energia elèctrica s’ha de generar en el mateix moment en què hi ha una demanda d’aquesta energia, el sistema ha d’estar balancejat en tot moment per garantir el subministrament, és a dir, la generació ha d’ésser igual a la demanda (sense oblidar les pèrdues que apareixen en el sistema). Aquí és on els vehicles elèctrics a bateria tenen una elevada sinergia en el sistema elèctric, doncs quan els vehicles elèctrics estan connectats a la xarxa elèctrica, per aquesta són una bateria. Així, la gestió de la càrrega dels vehicles coordinada amb la generació renovable maximitzaria el seu aprofitament. També resultaria molt profitós que la bateria del vehicle pogués actuar com l’acumulador d’energia que és, i que en cas necessari, sigui la bateria del vehicle la que entregui energia a la xarxa a la qual es troba connectat (coneguda com a V2G – Vehicle to Grid). Aquesta funcionalitat V2G, unida a la digitalització i desenvolupament de sistemes intel·ligents, aportarà a la gestió de les xarxes elèctriques una gran flexibilitat al poder implementar mesures de resposta de la demanda, és a dir, modificar ràpidament el perfil de consum d’energia, tant a nivell d’un usuari particular com de manera agregada. Tot i que això pugui semblar inversemblant, ja és una característica incorporada a la infraestructura de càrrega i en vehicles existents, i amb potencials models de negoci a la gestió de les xarxes elèctriques, tal com s’assenyala a altres articles del monogràfic, tant d’aquest àmbit d’Energia com als dels altres àmbits.


En el cas dels vehicles elèctrics amb pila de combustible, la generació de l’hidrogen es podria coordinar amb la generació renovable, tot i que cal veure com evoluciona aquest vector, tal com anticipa el final de l’article del monogràfic “Els nous reptes de la mobilitat elèctrica”.


Sembla clar que per a complir amb els objectius de l’estratègia política energètica de neutralitat en carboni l’aposta és per la generació renovable i una gestió de la càrrega (i la descàrrega) de les bateries. En instal·lacions on hi estacionin vehicles elèctrics i sigui possible l’autoconsum, aquesta sinergia presenta una gran potencial per a maximitzar els beneficis de l’autoconsum amb fonts renovables, tal com s’indica a l’article de “Autoconsum i vehicle elèctric”. En el cas d’instal·lacions on no sigui possible l’autoconsum, els vehicles estacionats es podrien addicionar i gestionar-se de manera agregada, aprofitant la figura d’agregador independent aprovada en el RD-ley 23/2020, oferint la seva flexibilitat en la càrrega/descàrrega per a una millor operació tècnica i/o econòmica del sistema elèctric, i obtenint una retribució per aquest servei.


Infraestructura


Per a poder realitzar aquesta gestió de la càrrega (i descàrrega) de la bateria dels vehicles, individual i/o agregada, cal una estandardització de les comunicacions (veure article “Comunicacions en l’ecosistema de l’electromobilitat”) i de la infraestructura. Aquesta estandardització per a càrrega conductiva, la majoritàriament implantada, amb els modes i connectors que es recull a la ITC-BT-52 del REBT, està perfectament descrita als articles “Recàrrega del vehicle elèctric” (d’aquest àmbit). Dels 4 modes de càrrega existents, els modes 1, 2 i 3 són per corrent altern amb carregador en el vehicle, incloent monofàsic o trifàsic, i el mode 4 en continua amb carregador extern, però només els modes 3 i 4 fan servir un connector específic, per la qual cosa aquests són els adients per aquesta gestió.


Per tal de dissenyar la infraestructura de càrrega i les estratègies de gestió, com les descrites a “Gestió de la recàrrega del vehicle elèctric”, cal definir no només el mode, sinó també la utilització de la infraestructura. Ací podem distingir: la càrrega vinculada, la càrrega d’oportunitat (o destinació) i la càrrega d’emergència/en ruta.


La càrrega vinculada és aquella que es realitzaria en el lloc on el vehicle està estacionat normalment, per la qual cosa, permetrà que la bateria del vehicle es pugui carregar a les potències normalment disponibles als circuits de les instal·lacions de baixa tensió, en mode 1, 2 o 3. A l’entorn domèstic, es realitzaria fins a uns 16 A, una potència fins els 3,7 kW, amb l’objectiu de carregar la bateria durant en el període vall, és a dir, quan la demanda i el preu de l’electricitat són més baixos, 8 hores en dies laborables el cas des sistema tarifari espanyol. Com la capacitat de les bateries dels turismes s’ha anat increment, de l’ordre de 50 kWh, si es desitja carregar dins les 8 hores del període vall es podria requerir un punt de càrrega de fins a 7,4 kW. Aquest darrer valor podria ser usual en el cas de flotes, si a la instal·lació hi ha circuits que admeten aquests corrents.




La càrrega d’oportunitat (o destinació) és aquella que es realitzaria en un lloc on el vehicle està estacionat unes poques hores, com en un centre comercial, per la qual cosa, si el carregador incorporat al vehicle i la instal·lació del recinte ho permeten, es pugui carregar la bateria amb una potència mitjana en baixa tensió entre els 3,7 fins els 22 kW, això sí, en mode 3 perquè només es connectin vehicles elèctrics, i els punts de càrrega es puguin gestionar de manera coordinada amb la resta de consums de la instal·lació.


La càrrega d’emergència/en ruta és aquella que es realitzaria quan hi ha el risc de que el vehicle no arribi a destí o quan es fa un viatge que supera l’autonomia d’una càrrega. Aquí cal considerar potències elevades en baixa tensió, majors a 22 kW, que es podrien proporcionar en mode 3 o mode 4. La potència usual en els punts de càrrega amb aquest ús es troba en els 44 kW en mode 3, i fins els 350 kW en mode 4. Aquesta darrera opció és el que s’associa a la càrrega super-ràpida i al concepte d’electrolinera, que es descriu a l’article “Los cambios en el mundo del automóvil en los próximos 5 años” d’aquest àmbit. Des del punt de vista de mobilitat, ajuda a disminuir l’ansietat per l’autonomia dels vehicles elèctrics i la seva presència facilita la presència de vehicles elèctrics als carrers. Però des del punt de vista d’infraestructura elèctrica necessària per alimentar aquests punts, els requeriments tècnics per la seva implantació fa que sigui una solució més cara d’implementar i d’explotar, i de retruc, la càrrega en aquests punts resultarà més cara per a l’usuari. La potència a considerar pels punts de càrrega super-ràpids és a la actualitat de fins a 350 kW, que per l’augment de la capacitat de les bateries dels vehicles elèctrics s’ha incrementat des dels 50 kW dels primers punts de càrrega mode 4.


El funcionament d’aquests punts té la particularitat de què es demana tota la potència del punt en el seu inici i durant els primers minuts. Aquesta demanda sobtada fa que si el punt de càrrega comparteix la línia d’alimentació de baixa tensió amb altres consums, aquests veurien una disminució momentània de la tensió, i que si els seus equips són susceptibles als sots de tensió, aquests es podrien apagar o desconnectar. Si es tractés d’una electrolinera amb diferents punts de càrrega super-ràpida, i dos o més comencessin a funcionar simultàniament, l’afectació sobre la qualitat de subministrament s’incrementaria . La solució per evitar aquest efecte és que la línia que alimenti al punt o a l’electrolinera sigui dedicada, és a dir, una línia elèctrica exclusiva per aquesta, o inclús millor, un centre de transformació si es vol evitar que la instal·lació de càrrega afecti a altres consumidors connectats a altres línies però al mateix transformació de distribució.


A més de la variació sobtada de la tensió, com els punts de càrrega consisteixen en convertidors d’electrònica de potència, poden aparèixer d’harmònics. Si la presència d’harmònics es preveu important, aquests faran que el corrent eficaç que es considera que circula pels conductors sigui més gran que si no hi hagués harmònics, per la qual cosa cal incorporar la presència d’aquest harmònics per tal de garantir que la secció dels conductors i transformadors és l’adequada i no queden subdimensionats, que provocaria sobre ells un sobreescalfament.


Per altre banda, vinculat a que es demana tota la potència durant uns minuts, la infraestructura de xarxa que alimenta la instal·lació de càrrega s’ha de dissenyar amb un criteri de simultaneïtat unitari per tots els punts que es vulguin implantar. Això reforça la necessitat d’un transformador de distribució propi comentada anteriorment. Però també pot succeir que la infraestructura elèctrica existent a la zona on es vol fer la instal·lació no pugui assumir-la si no es fa un reforç a la xarxa elèctrica, construint ja no pas un centre de transformació de distribució, sinó haver de construir una nova línia de distribució en alta tensió i que alimenta exclusivament aquesta instal·lació. Aquesta mesura pot comportar un sobrecost significatiu al promotor de la instal·lació de càrrega. Altrament, caldria veure si la subestació de distribució disposa de capacitat per a una nova línia de distribució que alimenti la instal·lació de càrrega super-ràpida.


Aquesta situació de que s’hagi de modificar la xarxa elèctrica de la companyia distribuïdora que pot aparèixer a les electrolineres per les càrregues d’emergència/en ruta, també podria passar als aparcament multipropietat en edificis per la càrrega vinculada. Però en aquests, la problemàtica que pot aparèixer abans és la que la línia general d’alimentació de l’edifici només permeti afegir la càrrega dels primers propietaris que disposin de vehicle elèctric. La ITC-BT-52, que ofereix 3 esquemes de connexió possibles en aquest entorn, també identifica la necessitat d’instal·lar un sistema de protecció de línia, que l’anomena SPL, la funció del qual és evitar superar el corrent màxim del conductor d’aquesta línia, i que ho fa gestionant la càrrega dels vehicles de manera coordinada.


Cost de la càrrega


El cost operatiu de la càrrega dels vehicles elèctrics depèn de la potència de la potència elèctrica contractada i de l’energia consumida, és a dir, de la factura elèctrica.


La potència que es desitja tenir disponible a la instal·lació de càrrega no es farà servir de manera permanent, de tal manera que hi haurà molts moments de potència contractada ociosa. Per tal de seleccionar adequadament la potència a contractar, cal definir el moment en que es farà la càrrega, per mantenir la potència que ja està contractada o incrementar-la mínimament, i la gestió associada que es vol o es pot fer.


-

En el cas d’usuaris en aparcament multipropietat en edificis d’habitatges per la càrrega vinculada, cal tenir present també l’esquema de la ITC-BT-52 amb el que es dissenya la infraestructura. A l’esquema 2, no caldria incrementar la potència, ja que el punt de càrrega es connecta a una segona derivació individual del mateix comptador de l’habitatge. En canvi, als esquemes 1 i 3 s’hauria d’afegir el cost del nou contracte, de manera col·lectiva (esquema 1) i de manera privada (esquema 3). En els edificis d’un únic propietari, esquema 4 de la ITC-BT-52, la infraestructura de càrrega és un nou circuit i el que cal és gestionar la càrrega per no superar la potència ja contractada o minimitzar el seu increment.


Pel que fa a la gestió de la càrrega, al RD 647/2011 es va crear la tarifa supervall, de 1 h a 7 h, pels consumidors de menys de 15 kW, per tal d’incentivar la càrrega vinculada en aquest període. Amb el canvi de l’estructura tarifaria del juny 2021 i els nous peatges i càrrecs (definits a Resolución de 18 de marzo de 2021, de la Comisión Nacional de los Mercados y la Competencia, i, Real Decreto 148/2021, respectivament), aquesta discriminació desapareix, però tindríem el seu equivalem al període vall, amb un horari de 0 h a 8 h en dies laborables i tot el dia els caps de setmana i festius nacionals.


En el cas dels punts de les electrolineres, els usuaris d’aquesta infraestructura d’accés públic per emergències/en ruta, podien gaudir de càrrega gratuïta, sobretot quan el promotor era de l’Administració, que buscava fomentar el desplegament de vehicles elèctrics, o bé pagar un import definit pel propietari/operador de l’electrolinera (mirar article “Infraestructura de carga EV Un mercado en desarrollo”). En aquest punt, cal mencionar de nou el canvi de tarifes del juny 2021, doncs fins llavors, el propietari/operador de la infraestructura havia de pagar a l’any per un punt de 50 kW uns 4000 € per potència contractada. Amb la reforma, es creen uns peatges exclusius per aquest tipus d’instal·lacions, el 3.0TDVE i 6.1TDVE, on el pes del peatge recau sobre l’energia i la part de la potència és molt menor; i on també surt molt més beneficiós disposar d’una instal·lació d’autoconsum fotovoltaic, ja que les hores considerades com a punta, són molt més cares, coincideixen amb la de potencial màxima producció d’aquest tipus d’instal·lacions. Caldrà veure com es trasllada això als preus que s’ofereixen als usuaris, tot i que per a l’usuari del vehicle, fer servir aquestes instal·lacions continuarà sent més car que carregar-lo al seu punt de càrrega vinculat.