ESTUDIOS ESTRATÉGICOS DEL SECTOR
ENERGÉTICO Nildia Yamileth Mejias Brizuela
Julieta Evangelina Sánchez Cano Coordinadoras
María del Carmen Sánchez Carreira
Editorial Martínez Zarco 529 sur. Zona Centro C.P. 34000 Durango, Dgo., México Tél: (01) 618-8-14-63-80 Cel: (618)2-06-54-55
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Título: Estudios Estratégicos del Sector Energético. Primera Edición 2017.
Diseño de portada: Carlos Martínez Torres. Diseño de interiores: Carlos Martínez Torres. Diseño de Libro Digital: Carlos Martínez Torres.
© D.R.: Julieta Evangelina Sánchez Cano. © D.R.: Nildia Yamileth Mejias Brizuela. © D.R.: María del Carmen Sánchez Carreira. © D.R.: De los Autores. © D.R.: De esta edición, Editorial Martínez.
Este libro fue arbitrado a triple ciego. Febrero del 2017
ISBN: 978-607-9749-71-2
El Comité Científico de la obra Estudios estratégicos del sector energético, está integrado por profesores investigadores de Instituciones de Educación Superior de España, Dinamarca y México quienes dictaminaron un total de 10 sesiones — 3 preliminares y 7 plenarias — entre agosto del 2014 y julio del 2016. Basándose en un plan de trabajo que integró etapas de: planeación, recolección de datos, investigación, redacción final, evaluación pares académicos a triple ciego y dictaminación, aceptación o rechazo, asentado en una bitácora de control. Finalmente después de un intenso proceso de evaluación, la obra Estudios estratégicos del sector energético quedó terminada y compuesta por 12 capítulos. El Comité Científico de la obra Estudios estratégicos del sector energético se integra por: Carlos Berzosa Alonso-Martínez, Universidad Complutense de Madrid (España). Daniel Díaz Fuentes, Universidad de Cantabria (España). Miguel Ángel Díaz Mier, Universidad Alcalá de Henares (España). Birgitte Gregersen, Aalborg University (Dinamarca). Alfredo Islas Colín, Universidad Juárez Autónoma de Tabasco (México). Humberto Ríos Bolívar, Instituto Politécnico Nacional (México). Clemente Ruiz Durán, Universidad Nacional Autónoma de México (México). Julio Sequeiros Tizón, Universidad de Coruña (España). Erasmo Adolfo Sáenz Carrete, Universidad Autónoma Metropolitana (México). Xavier Vence Deza, Universidad de Santiago de Compostela (España). Francisco Venegas-Martínez, Instituto Politécnico Nacional (México).
CONSEJO ARBITRAL DE PUBLICACIONES NOMBRE 1.- Abigail Hernández Rodríguez 2.- Adriana Eugenia Ramos Ávila 3.- Alicia Cruz Martínez 4.- Amado Olivares Leal 5.- Armando Medina Jiménez 6.- Armando Sánchez Albarrán 7.- Arturo Morales Castro 8.- Arturo Ordaz Álvarez 9.- Berenice Juárez López 10.- Berenice Ynzunza 11.- Berta E. Madrigal Torres 12.- Bertha E. Cárdenas Hinojosa 13.- Camelia Tigau 14.- Carlos A. Arredondo Orozco 15.- María del Carmen Sánchez Carreira 16.- Caterina Clemenza 17.- Celina Lértora 18.- Clara Garc 19.- Claudia Ferino Valle 20.- Daniel Hernández 21.- Deyanira Villarreal Solís 22.- Diana Morales Urrutia 23.- Eber E. Orozco Guillén 24.- Eduardo Ahumada Tello 25.- Eduardo Barrera Arias 26.- Elba Miriam Navarro Arvizu 27.- Eliseo Díaz González 28.- Elsa M. Rosales Estrada 29.- Emigdio Larios 30.- Erick E. Vázquez Fernández 31.- Esther E. Corral Quintero 32.- Fátima de la Fuente del Moral 33.- Felipe M. Carrasco Fernández 34.- Flavio A. Rosales Díaz 35.- Florina G. Arredondo Trapero 36.- Francisco García Fernández 37.- Francisco Javier López Cerpa 38.- Georgina Tejeda Vega 39.- Germán Oyosa Roldán 40.- Graciela López Méndez 41.- Guillermo J. Rubio Astorga 42.- Jaime Jiménez 43.- Javier B. Cabrera Mejía 44.- Jerónimo Ricardez Jiménez 45.- Jorge A. López Arévalo 46.- Jorge C. Morgan Medina 47.- Jorge E. Macías Luévano
ADSCRIPCIÓN Univ. Autónoma de Tijuana, México Univ. Autónoma San Luis Potosí, México UNAM, México Univ. de Sonora, México Univ. Autónoma San Luis Potosí, México Univ. Autónoma Metropolitana Azcapotzalco UNAM, México Univ. Autónoma de Sonora, México Univ. Autónoma de Coahuila, México Univ. de Guadalajara. México Centro de Investigaciones sobre América del Norte. México Univ. de Medellín, Colombia Univ. de Santiago de Compostela, España Univ. Complutense de Madrid Univ. Autónoma Metropolitana Univ. Pedagógica Nacional Tijuana Univ. Juárez Estado de Durango, México Pontificia Universidad Católica de Ecuador (Ambato) Univ. Politécnica de Sinaloa México Univ. Autónoma de Baja California Inst. Tecnológico de Sonora El Colegio de la Frontera Norte México Univ. Autónoma del Estado de México Univ. de Colima Univ. Autónoma de Baja California México University of Applied Sciences UPAEP, México Univ. de Sonora México Tec. de Monterrey México Univ. de Tamaulipas México Univ. Autónoma de Baja California México Universidad Juárez del Estado de Durango Univ. de Guadalajara México Inst. Tecnológico de Culiacán, México UNAM, México Univ. Católica de Cuenca, Ecuador Univ. Veracruzana, México Univ. Autónoma de Baja California, México Univ. Autónoma De Baja California, México Univ. Autónoma Aguascalientes, México
48.- José A. Ramírez de León 49.- José L. Barrera Canto 50.- José Luis García Ruiz 51.- José M. Maraboto Q. 52.- José R. Morales Calderón 53.- José S. Méndez Morales 54.- Juan C. Dueñas Ricaurte 55.- Juan F. Aguirre Samano 56.- Juan G. Silva Treviño 57.- Juan M. A. Perusquía Velasco 58.- Juan M. Izar Landeta 59.- Juana Astorga Ceja 60.- Julia M. Domínguez Soto 61.- Kamaraj Sathish Kumar 62.- Karla M. Nava Aguirre 63.- Ladislao A. Reyes Barragán 64.- Laura A. Paniagua Solar 65.- Liliana De Jesús Gordillo Benavente 66.- Lourdes Apodaca 67.- Luis I. Sánchez Rodríguez 68.- María C. Lozano Ramírez 69.- María R. López Mejía 70.- María T. Camberos Sánchez 71.- María C. Ramírez Barón 72.- María D. González Saucedo 73.- María R. Pérez Rosas 74.- María R. Demuner Flores 75.- María E. López Parra 76.- Martha C. Jaramillo Cardona 77.- Mary A. Vera Colina 78.- Miguel Franco Nava 79.- Mónica L. Sánchez Limón 80.- Mora E. González Navarro 81.- Nilda Y. Mejias Brizuela 82.- Octavio Reyes 83.- Oscar Flores Ramírez 84.- Óscar Rodil Marzábal 85.- Oswaldo Ortega 86.- Pablo M. Chauca Malásquez 87.- Paola Vera 88.- Pedro Varela Vázquez 89.- Rafael Espinosa Mosqueda 90.- Rafael Regalado Hernández 91.- Ramón G. Recio Reyes 92.- Ricardo Verján Quiñones 93.- Robert E. Zárate Cornejo 94.- Roberta Curiazi 95.- Roberto González Acolta 96.- Roberto Rodríguez Venegas 97.- Rosario Higuera Torres 98.- Rubén Araujo 99.- Rubén Chávez Chaires 100.- Salvador Ceja Oseguera 101.- Sebastián Villegas Moncada
Univ. Autónoma de Tamaulipas, México Univ. Complutense de Madrid, España Tec. De Monterrey Univ. Autónoma Metropolitana UNAM Ministerio del Ambiente Ecuador Univ. Politécnica de Aguascalientes Univ. Aut. de Baja California
Univ. Aut. de Baja California Univ. Politécnica de Francisco I. Madero, México Univ. Politécnica de Aguascalientes Univ. Autónoma de Tamaulipas Univ. Autónoma del Estado de Morelos Benemérita Univ. Autónoma de Puebla Univ. Politécnica de Tulancingo
Univ. Autónoma de Tamaulipas UNIVA, La Universidad Católica Univ. Autónoma de Baja California Tec. de Monterrey Univ. Autónoma Metropolitana CEA Inst. Tecnológico de Sonora Univ. Autónoma de Baja California Univ. Nacional De Colombia. Inst. Tecnológico de Mazatlán, México Univ. Autónoma de Tamaulipas Inst. Tecnológico de Sonora UPSIN Universidad Virtual del Estado de Guanajuato (UVEG) Univ. Politécnica de Amozoc, México Univ. Santiago de Compostela, España Univ. Autónoma del Estado de Hidalgo, México UNAM Univ. Santiago de Compostela
Univ. Autónoma San Luis Potosí Univ. Autónoma de Baja California Univ. Autónoma de Baja California FLACSO Quito, Ecuador Univ. Autónoma de Aguascalientes Universidad de Guanajuato
Uinv. Del Zulia, Venezuela
UPAEP Universidad de Medellín
1. Generalidades Existe una firme creencia de que el vehículo de combustión interna fue el primer sistema de movilización, pero los desarrollos en vehículos eléctricos se remontan a más de 100 años atrás. El primer vehículo que alcanzó la barrera de los 100 Km/h en 1899 fue un vehículo eléctrico: El “Jamais Contente” (el “nunca contento”) desarrollado por un Ingeniero Belga (AVELE, 2014). Entre 1900 y 1914, el vehículo eléctrico ya se encuentra de moda en el mundo industrializado. Figura 1. Vehículo Eléctrico “Jamais Contente” (AVELE, 2014).
Un vehículo eléctrico es aquel que utiliza uno o varios motores eléctricos para su tracción, a partir de la energía eléctrica que ha sido almacenada en baterías o acumuladores, que se recargan desde la red eléctrica (IDAE, 2003). El vehículo eléctrico supone una gran oportunidad para mejorar la eficiencia global del sistema eléctrico, reducir las emisiones de CO2 y disminuir la dependencia de combustibles fósiles (Red Electrica de España, s/f). 332
Entre las diferentes ventajas asociadas al vehículo eléctrico tenemos (Comunidad de Madrid, 2009): -
Mejora en la eficiencia energética.- a través de un análisis “del pozo hasta la rueda” es posible realizar una comparación justa para medir la eficiencia energética de los vehículos eléctricos y de combustión interna. Como resultado de este análisis y tomando como referencia el sistema eléctrico español, la eficiencia del vehículo eléctrico frente a uno de combustión interna es del orden de 8 puntos superior, con una mejora de su eficiencia energética del orden de un 30%.
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Impacto Medioambiental.- realizando un análisis similar al utilizado en el apartado anterior, incluyendo el costo energético y medioambiental de generar electricidad destinada a mover vehículos eléctricos, se puede concluir que un vehículo eléctrico puede ahorrar durante su vida útil entre 10 y 30 toneladas de CO2 respecto a un vehículo convencional.
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Reducción de la contaminación acústica.- un vehículo eléctrico prácticamente no emite ruido alguno, únicamente existirá el ruido del propio vehículo en contacto con la capa de rodadura de la carretera, un ruido de muy pocos decibelios apenas perceptibles. La poca emisión de ruidos permite que los vehículos eléctricos transformen las calles en entornos más amables con los peatones, así como la mejora en el confort a la hora de conducirlo.
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Posibilidad de ahorro económico.- se ha convenido utilizar el término “posibilidad” en vista de que en la actualidad, el precio de adquisición de un vehículo eléctrico es superior al de un vehículo de combustión interna de similares prestaciones. Sin embargo, en términos de operación y mantenimiento el vehículo eléctrico tiene mayores ventajas como por ejemplo: la diferencia de precios entre el litro de derivados de petróleo y el coste del kWh eléctrico es hasta 8 veces inferior. Otro detalle importante a resaltar es el hecho de que el vehículo eléctrico tiene un 90% menos de componentes que un vehículo de combustión interna, permitiendo así que los costes de mantenimiento sean muy inferiores a los de un vehículo convencional. 333
La problemática del cambio climático, la contaminación medioambiental, el aumento de los costos de la energía y la constante preocupación relacionada a la seguridad de las reservas de petróleo, han despertado un interés a nivel mundial para la adquisición de vehículos eléctricos. De acuerdo a estudios del Electric Power Research Institute (EPRI), se espera que para el 2020 más del 35% del total de vehículos en los Estados Unidos sean eléctricos (Yilmaz & T. Krein, 2013), sin embargo, aspectos como una limitada autonomía, tiempo de recarga y ausencia de estaciones de recarga vehicular hacen que el vehículo eléctrico se encuentre aún lejos del mercado comercial a gran escala. No obstante, en los últimos años se ha estudiado la posibilidad de convertir al vehículo eléctrico en un componente más del sistema eléctrico, utilizando su mecanismo de almacenamiento para mejorar la eficiencia global del sistema eléctrico. (Red Electrica de España, 2015). Uno de los problemas de los actuales sistemas eléctricos de potencia es que la energía eléctrica producida debe ser consumida instantáneamente, ya que no existen mecanismos viables, tanto técnica como económicamente, para el almacenamiento de energía, como por ejemplo los excedentes de energía de un parque eólico o fotovoltaico en periodos de baja demanda. El vehículo eléctrico puede convertirse en ese catalizador para el almacenamiento de esa energía excedente, y más importante aún, poder devolver esa energía al sistema cuando se lo requiera.
2. Esquemas de conexión del vehículo eléctrico en la red En el año 2015 se superó el umbral del millón de vehículos eléctricos sobre la carretera a nivel mundial, incremento motivado gracias a las políticas gubernamentales para el fomento en el uso de este sistema de transporte, así como también al apoyo del sector automotriz en la mejora constante de esta tecnología (International Energy Agency, 2016). El aumento en la tendencia en la comercialización de vehículos eléctricos, requiere que las redes eléctricas actuales estén acondicionadas para 334
su conexión, por lo que desde hace algunos años se han estudiado tres posibles configuraciones en las cuales el vehículo eléctrico puede interactuar con la red eléctrica (Chunhua, K.T, Diyun, & Shuang, 2013). 2.1 Vehicle to Home. Una configuración Vehicle to Home o V2H permite a un vehículo eléctrico conectarse a la red eléctrica existente de la vivienda del usuario para recargar o descargar su energía por medio de un cargador bidireccional. Cuando un vehículo eléctrico necesita carga eléctrica, la forma más cómoda para el propietario del vehículo es conducir a casa y simplemente enchufar el vehículo a la toma preparada para ese efecto. De forma general, V2H está compuesta por un vehículo eléctrico conectado a una red eléctrica domestica mediante un cargador bidireccional. La fuente de energía puede provenir de la red de suministro de la empresa eléctrica local o través de generación renovable de pequeña escala instalada en el lugar de la recarga. También se requiere de un operador de la red eléctrica, el cual gestionará el recurso energético en caso de requerirlo mediante enlaces de comunicación que conecten al vehículo eléctrico con la red eléctrica. Entre las características más importantes de este tipo de configuración podemos destacar: -
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Configuración simple y flexible, ya que solo interviene un vehículo Infraestructura sencilla y de fácil instalación. Capacidad de suministrar potencia reactiva en caso de requerirlo. Posibilidad de entregar potencia activa a la red para contribuir a la mejora del perfil de carga del hogar. Gestionar la recarga del vehículo en los periodos donde el precio de la electricidad es más bajo, así como también venderla a la red en los periodos con los precios más altos. Contribuye altamente a los sistemas de generación distribuida, que forman parte de las Smart Grids o Redes Inteligentes. 335
Figura 2. Configuración Vehicle to Home (Chunhua, K.T, Diyun, & Shuang, 2013).
2.2 Vehicle to Vehicle. Una configuración Vehicle to Vehicle o V2V permite a varios vehículos eléctricos (como por ejemplo los vehículos de un barrio o de un estacionamiento público), transferir su energía a través de cargadores bidireccionales hacia la red local. La diferencia con la configuración V2H radica en que el control de la energía que se entrega a la red es realizado mediante un controlador o también llamado agregador. Una red V2V está compuesta por varios sistemas V2H como por ejemplo: varios vehículos de un estacionamiento, cuyos puntos de recarga están enlazados al agregador. Este último permite que todos los vehículos interactúen entre sí, así como también ejecuta el control de despacho de energía, ya sea hacia la red o hacia otros vehículos que lo requieran. Bajo esta configuración es posible establecer prioridades, 336
como por ejemplo: que primero se recarguen todos los vehículos conectados y el excedente sea enviado a la red. Cabe destacar, que el despacho a red debe ser coordinado y ejecutado por el operador independiente del sistema (ISO en inglés), el cual tendrá un enlace directo de comunicaciones con el agregador. Entre las características más importantes de este tipo de configuración podemos destacar: -
Permite la integración de varios vehículos eléctricos o de varios sistemas V2H. Ideal para operar en barrios o comunidades. Precios más bajos de la energía gracias al comercio de energía con la red local. Incrementa la eficiencia de carga/descarga de los vehículos eléctricos conectados. Capacidad de suministrar potencia reactiva en caso de requerirlo. Infraestructura simple y con bajos niveles de pérdidas de transmisión.
Figura 3. Configuración Vehicle to Vehicle (Chunhua, K.T, Diyun, & Shuang, 2013).
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Los conceptos anteriormente revisados han evolucionado para dar paso a una configuración completamente integrada a la red, la llamada Vehicle to Grid o V2G. La configuración V2G permite al vehículo eléctrico conectarse a la gran red de potencia y actuar como reguladores del sistema y así poder dar estabilidad a la red. Las características y detalles de esta configuración será objeto de un análisis más detallado y profundo en el siguiente capítulo. 2.3 Vehicle to Grid. Los conceptos anteriormente revisados han evolucionado para dar paso a una configuración completamente integrada a la red, la llamada Vehicle to Grid o V2G. La tecnología V2G es aquella en la cual los vehículos eléctricos pueden absorber y almacenar energía proveniente de la red eléctrica además de tener la posibilidad de devolverla a la misma cuando sea requerida. En pocas palabras, es una interface eléctrica bidireccional que permite a los vehículos eléctricos absorber y entregar energía del sistema (Diyun, Chunhua, & Shuang, 2011). El concepto de V2G fue propuesto por primera vez por Kempton and Letendre (Kempton & Letendre, 1997), los cuales sugirieron que el uso de los vehículos eléctricos puede generar ganancias económicas para sus propietarios, gracias a que dichos vehículos pueden proveer de servicios auxiliares a la red eléctrica. Entre esos servicios tenemos la regulación (balance entre la demanda y el consumo segundo a segundo), reserva de energía y provisión de reserva pico (Richardson, 2012). La configuración V2G es una evolución de la red V2H pero integrada completamente a la gran red de media y alta tensión. Entre las múltiples ventajas que tiene la implementación de este tipo de configuración tenemos: -
Involucra una cantidad considerable de vehículos eléctricos. Puede integrarse con casas inteligentes, estacionamientos y estaciones de recarga rápida para intercambio de potencia. 338
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Los vehículos eléctricos pueden proveer potencia reactiva a la red usando sus capacitores internos. Puede incorporar las tecnologías V2H o V2V pero no es un requisito indispensable para su operación. Es operado generalmente a gran escala y favorece el desarrollo de las redes inteligentes o Smart Grids.
En la figura 4 podemos observar la estructura de una red V2G. Figura 4. Estructura de una red V2G (Chunhua, K.T, Diyun, & Shuang, 2013).
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2.3.1 Beneficios para la red eléctrica. -
Regulación de voltaje y frecuencia.- los servicios de regulación de frecuencia funcionan haciendo coincidir la producción de energía eléctrica con la demanda de carga. Estos procesos deben realizarse mediante un control en tiempo real que permita ajustar la potencia de salida del generador en función de señales enviadas por el operador del sistema (Yiyun, Can, Lin, & Lin, 2011). Los sistemas de carga y descarga rápida de los vehículos eléctricos hacen que, una arquitectura V2G sea una alternativa atractiva para regulación de frecuencia. La ventaja radica en que el vehículo eléctrico puede responder rápidamente ante una solicitud de regulación, la cual puede ser controlada de forma individual para cada vehículo (Yilmaz & T. Krein, 2013).
La regulación de frecuencia es posible gracias a que se puede integrar en el cargador de la batería un control de voltaje. El cargador puede compensar la potencia reactiva, capacitiva o inductiva, seleccionando adecuadamente el ángulo de fase de la corriente. Si el voltaje de la red es demasiado bajo, el sistema de carga se detiene. Por el contrario, si el voltaje es alto, la recarga se reinicia nuevamente. -
Nivelación de la carga y del pico de potencia.- Una red V2G puede controlar el nivel de energía, descargando durante los picos diarios y cargando durante periodos de baja demanda. El operador del sistema establece estrategias encaminadas a una recarga inteligente y que permita una óptima operación del sistema. Muchos autores proponen mecanismos de recargas inteligentes basados en los precios del mercado, de tal manera que esto contribuya a aplanar la curva de demanda y minimizar la factura de energía eléctrica para el propietario del vehículo.
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Reserva rodante.- El concepto de reserva rodante se refiere a aquellas centrales de generación, que sin estar entregando energía eléctrica, están siempre disponibles ante cualquier eventualidad que ocurra en la red (Yiyun, Can, Lin, & Lin, 2011). Por lo general, están disponibles luego de 10 minutos de haber recibido la orden del operador del sistema y operan a bajas o velocidades parciales para sincronizarse a la red. 340
Este servicio es favorable para los usuarios de los vehículos eléctricos ya que estos podrán recibir incentivos solo por mantener conectados los mismos por algunas horas, incentivos que se recibirán mediante la firma de contratos de reserva rodante que podrían manejarse a través del número de solicitudes y duración de las mismas, con un máximo de 20 llamadas por año y 1 hora por llamada. 2.3.2 Beneficios para los usuarios. La mayor parte de vehículos eléctricos permanece un 95% del tiempo estacionados aproximadamente, ya sea conectados para recarga o simplemente inactivos (Mehrdad, Milad, & Saeed, 2012); por lo tanto, ese tiempo en el cual el vehículo no se utiliza para las funciones de transporte puede ser conectado a una red V2G y recibir compensaciones económicas por aquello. Se tiene previsto que los propietarios puedan recibir réditos económicos por la participación de su vehículo en la red V2G, y de esta manera compensar parcialmente el costo de la batería del mismo o cualquier otro efecto sobre esta que pueda ser consecuencia de la participación en el programa (B. Harris & E Webber, 2012). De acuerdo a (Yilmaz & T. Krein, 2013), los servicios de regulación, tanto de voltaje como de frecuencia, son los que producen menor impacto sobre el sistema de almacenamiento del vehículo y a su vez generan más réditos económicos para el usuario. Por otra parte (Sandels, Franke, Niklas, Nordstrom, & Hamrén, 2010) sugieren que la utilización de los sistemas de almacenamiento de los vehículos en redes V2G, puede influir en los precios resultantes del mercado eléctrico. Esto último no solo podría beneficiar a los propietarios de vehículos que participan del programa, sino también a aquellos que no posean uno. Los motores eléctricos de inducción, mayormente utilizados en el sector industrial y manufacturero, requieren de una cantidad significativa de potencia reactiva instantánea durante un corto periodo. Además, producen una alta corriente de arranque que causa una caída de 341
tensión y a su vez una reducción del torque del motor. Un mecanismo para reducir estos efectos es inyectar energía reactiva a la red de distribución a través de interfaces de electrónica de potencia. De acuerdo a (Mehrdad, Milad, & Saeed, 2012), el inversor que dispone un vehículo eléctrico es capaz de proveer la energía reactiva necesaria para el arranque del motor, sin que esto debilite la red de distribución de una planta industrial.
3. Desafíos en la implementación de redes v2g en los sistemas eléctricos actuales 3.1 Actualización de las redes eléctricas existentes. El sistema eléctrico actual es un esquema centralizado, en el cual las fuentes de generación se encuentran distantes de los centros de consumos. A esto hay que incluir que mucha de la carga que compone la curva de demanda de energía incluye electrónica de potencia, lo que trae consigo problemas tales como: generación de corrientes armónicas, interferencias o ruido en telecomunicaciones, distorsiones en el voltaje de salida de equipos, etc. La recarga de los vehículos eléctricos desde el punto de vista técnico, es una recarga de alta potencia, con una carga no lineal involucrada (electrónica de potencia) y que puede causar problemas similares a los mencionados en el párrafo anterior. Sin un control adecuado de la recarga vehicular, estos problemas se pueden incrementar incluso ocasionarían la aparición de otros problemas tales como (Li, Ge, & Zhang, 2012): -
Incremento de la brecha entre el consumo pico y valle de la curva de demanda.
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Sobrecarga del equipamiento de red. 342
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Como consecuencia de lo anterior, se reduce la seguridad de suministro eléctrico.
Este reto es el que la gran mayoría de redes eléctricas de los entornos urbanos del mundo deben enfrentar inicialmente para la implementación del vehículo eléctrico en las redes de distribución. Lili Li (Li, Ge, & Zhang, 2012) propone que la actualización de las redes eléctricas se realice a gran escala, es decir grandes inversiones que permitan el desarrollo del vehículo a gran a escala. Se deben aprovechar los corredores ya existentes por donde se encuentra el tendido eléctrico para mejorar las redes de distribución y todo el equipamiento necesario, con la finalidad de reducir el impacto de dichos cambios en la red eléctrica de una ciudad. 3.2 Operación y control de la red. El advenimiento de las fuentes de generación con fuentes renovables incrementó los puntos de generación del sistema por lo que el control de todas ellas, incluidas las grandes centrales supone un reto para el operador del sistema de una red eléctrica, ya que si el control es deficiente supondría la reducción en la fiabilidad y estabilidad del sistema. La inclusión del vehículo en la red eléctrica, supondría pasar de cientos a millones de pequeños puntos de generación eléctrica, cada uno de ellos capaces de entregar pequeñas cantidades de energía hacia la red. El control de millones de generadores conectados a la red de distribución es otro de los retos a los cuales debe enfrentarse el operador independiente del sistema (Saedi Dehaghani & S. Williamson, 2012) ya que este deberá conocer el estatus, la disponibilidad y las debilidades de estos pequeños “generadores” en cualquier instante, además el operador dispondrá de métodos de control para evitar la de caída de voltaje producida por la recarga masiva de vehículos. La guía del vehículo eléctrico de la Comunidad de Madrid (Comunidad de Madrid, 2009) indica que ante la inminente penetración 343
masiva de vehículos eléctricos a la red, la conexión de estos deberá realizarse mediante dispositivos de comunicación vehículo-red, con la finalidad de evitar variaciones bruscas en la demanda y problemas de estabilidad del sistema, como consecuencia de la conexión/desconexión simultanea de los vehículos de la red. Para sistemas con una gran carga en continuo, se podrían utilizar los contadores inteligentes de cada vivienda, para que de esta manera el operador de la red de distribución o del sistema pueda gestionar la operación del vehículo eléctrico de forma óptima. Ortega-Vásquez (Ortega Vasquez, Bouffard, & Silva, 2013) indica que para una operación eficiente del sistema eléctrico, el operador del sistema debe determinar el estado y la capacidad de producción de sus fuentes de generación necesarios para servir a la demanda programada (la cual incluye la carga de los vehículos eléctricos). Se debe considerar un porcentaje mínimo de reserva de generación, para de esta manera aprovechar las ventajas del almacenamiento de energía de los vehículos eléctricos. Figura 5. Interacción del Operador Independiente del Sistema (ISO) con el vehículo eléctrico y otras fuentes de generación eléctrica, (Mid-Atlantic Grid Interactive Cars ).
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3.3 Tipo de recarga aplicada al vehículo. La implementación de vehículos eléctricos no solo depende de disponer de las instalaciones adecuadas (puntos de recarga, estacionamientos, etc.); dependiendo de la tecnología y de las condiciones de operación, los vehículos eléctricos pueden ser recargados de forma lenta, semi-rápida y rápida (IDAE, 2011). El tipo de recarga es un factor importante a tomar en cuenta por la empresa eléctrica de suministro, ya que de esto depende la operatividad y operación de la flota eléctrica que utilice los puntos de recarga. Además, dependiendo del tipo de recarga, el equipamiento del sistema debe estar dimensionado para la potencia que se proyecta suministrar. Los tipos de recarga disponibles y sus características se describen a continuación: -
Carga lenta.- esta tipología es la más común y la más estandarizada entre los fabricantes de vehículos eléctricos. Como detalles técnicos se pueden mencionar que estos puntos de recarga proveen de energía eléctrica monofásica a 230 Voltios y hasta 16 Amperios en corriente alterna. Dependiendo del vehículo y de la capacidad de almacenamiento de sus baterías, el tiempo de recarga puede estar entre las 4 y 8 horas (IDAE, 2011)
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Carga semi-rápida.- tipología de recarga que opera a 400 voltios trifásicos y con capacidad de proveer hasta 16 Amperios, es decir, 11 kW de potencia máxima. Este tipo de recarga ha sido pensada para ser utilizada en estacionamientos públicos o centros de actividad como: centros comerciales o palacios de congresos, con la finalidad de aprovechar el tiempo de permanencia media de los vehículos en estos centros (aproximadamente 3 horas) para recargar los mismos (IDAE, 2011).
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Carga rápida.- las recargas de este tipo emplean potencias superiores a 40 kW. La característica más importante de esta tipología, es que un vehículo turismo de tamaño medio puede ser recargado al 80% de su capacidad en un tiempo de 30 minutos. Para ello utilizan el estándar CHAdeMO (único disponible en la actualidad) que utiliza una potencia de 50 kW (125 Amperios – 500 voltios) en corriente continua (IDAE, 2011). 345
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Carga por inducción.- este tipo de recarga se da gracias a la transferencia de energía entre la estación de carga y el vehículo eléctrico sin que haya contacto directo entre ellos de forma similar a la de un transformador convencional. El flujo de una corriente en la bobina primaria produce un campo magnético, que a su vez induce una tensión de inducción en la bobina secundaria y a su vez una corriente. El campo magnético que se genera en la bobina secundaria se solapa con el campo magnético de la bobina primaria.
Un estudio llevado a cabo por el Instituto Frauenhofer en el año 2010, analizó los costos del kWh suministrado a través de las diferentes tecnologías de recarga vehicular según la infraestructura de recarga (Frauenhofer ISI, 2010). Los resultados de dicho estudio se resumen en la tabla 1. Tabla 1. Estudio comparativo de tecnologías de recarga vehicular (Frauenhofer ISI, 2010).
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3.4 Recarga masiva de vehículos eléctricos. Una situación que guarda relación con el apartado anterior es el impacto que supondrá sobre las redes de distribución la recarga, de cientos de vehículos eléctricos en un determinado instante de tiempo. Un vehículo eléctrico medio consume alrededor de 14 kWh por cada 100 km, por lo tanto, un vehículo que recorra unos 15000 Km al año consumiría 2100 kWh un consumo similar al promedio de consumo de electricidad doméstico (Ceña & Santamarta, 2009). Si ahora establecemos un escenario en el cual se recargan 2 millones de coches en un determinado periodo, las condiciones de operación del sistema eléctrico cambian y el equipamiento (protecciones, seccionadores, equipos auxiliares, etc.) deben estar ajustadas para esos cambios repentinos. Una carga descoordinada significa que las baterías de los vehículos eléctricos comienzan a recargarse de manera inmediata una vez que son conectados a la toma correspondiente, y continúan cargándose hasta que, la batería este completamente cargada o si se desconectase de la toma de energía. Operaciones de carga descoordinada favorecen el incremento de la carga en horarios pico y pueden causar problemas de pérdidas de potencia y caídas de tensión que pueden afectar la calidad del suministro eléctrico. De acuerdo a (Halbleib, Turner, & Naber, 2012), la carga descoordinada de vehículos eléctricos puede producir un incremento del 22% de la factura eléctrica de un cliente doméstico, debido a recargos por incremento de demanda. Si hablamos del impacto sobre la red eléctrica, un estudio realizado en Dinamarca en base a 2200 vehículos eléctricos, demuestra que la recarga de estos incrementan el pico de demanda de forma considerable tal y como se muestra en la figura 6. (Sundstrom & Binding, 2012):
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Figura 6. Carga base y total con inclusión de vehículos eléctricos (Sundstrom & Binding, 2012).
Para evitar impactos negativos sobre la red, el operador de la red deberá establecer un sistema inteligente y coordinado de carga y descarga, lo que contribuirá a mejorar aspectos tales como: (Yilmaz & T. Krein, 2013): -
Desviaciones (cambios en los planes de producción diarios de energía),
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Reducción de los flujos de corriente en las líneas,
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Sobrecarga de los transformadores,
-
Mejora de los niveles de voltaje.
Pero estos sistemas coordinados de recarga son más apropiados para los niveles 1 y 2 de carga (véase la tabla 2), es decir cargas capaces de suministrar una potencia superior a 4 kW. Si se optimiza el tiempo de recarga se puede lograr que los costos de energía se reduzcan con un mínimo incremento de la carga pico. (Cao, y otros, 2012) propone un método de control de carga el cual se adapte a los precios del mercado 348
eléctrico por periodos, estableciendo una relación entre la potencia necesaria para cargar el vehículo y el estado de carga de la batería (SOC en inglés) demostrando que se puede conseguir una reducción del 40% en los cargos de potencia cuando se realiza una carga coordinada de múltiples vehículos. Tabla 2. Detalles técnicos de los diferentes niveles de carga de vehículos eléctricos (Yilmaz & T. Krein, 2013).
Por otro lado, O. Sundstrom (Sundstrom & Binding, 2012) clasifica los sistemas coordinados en dos tipos: uno descentralizado, en el cual el vehículo eléctrico optimiza su comportamiento de carga en función del precio de mercado, el cual es transmitido directamente al vehículo. El esquema centralizado básicamente consiste en un sistema central que controla directamente la carga del vehículo, en función de los requerimientos del operador de dicho sistema. 3.5 Pérdidas en la conversión de energía. Otro reto al cual tienen que enfrentarse las empresas eléctricas de suministro eléctrico son las pérdidas que se producirían cada vez que el vehículo eléctrico convierte, transmite y almacena energía eléctrica (Saedi Dehaghani & S. Williamson, 2012). Las pérdidas de un vehículo 349
eléctrico se pueden dar en la electrónica de potencia, en los motores eléctricos e incluso en el sistema de propulsión. Si hacemos un análisis “desde el pozo a la rueda”, la eficiencia total del sistema, tanto como para almacenar energía como para entregarla a la red se puede explicar mediante la ecuación 1. El proceso inverso para introducir a la red eléctrica la energía acumulada en el sistema de almacenamiento del vehículo se calcula mediante la ecuación 2. Eficiencia de la energía almacenada (𝜂𝐸) 𝜂𝐸 = 𝜂𝑆𝑇𝑂 ∗ 𝜂𝐶ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 ∗ 𝜂𝐵𝑎𝑡𝑡 = 0.39
(1)
Dónde: 𝜂𝑆𝑇𝑂 = Eficiencia en el proceso de transmisión y generación de energía eléctrica, hasta el conector, cuyo valor es aproximadamente se sitúa entre el 50 y un 52% 𝜂𝐶ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = Eficiencia en la carga del vehículo eléctrico la cual ronda el 94% aproximadamente. 𝜂𝐵𝑎𝑡𝑡 = Eficiencia en el almacenamiento de energía. Aproximadamente de un 80% Eficiencia en el retorno de la energía eléctrica almacenada hacia la red eléctrica (𝜂𝑉2𝐺) 𝜂𝑉2𝐺 = 𝜂𝐸 ∗ 𝜂𝐶𝐻𝐴𝑅𝐺𝐸 ∗ 𝜂𝐺𝑅𝐼𝐷 = 0.34
(2)
Dónde: 𝜂𝐸 = Eficiencia de la energía almacenada = 0.39 𝜂𝐶ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = Eficiencia en el proceso de recarga = 0.94 𝜂𝐺𝑟𝑖𝑑 = Eficiencia de la red de distribución, la cual es aproximadamente del 92%
Del análisis anterior, nos queda que la eficiencia de la red V2G es relativamente baja, por lo que es necesario que las empresas de suministro eléctrico consideren este aspecto antes de utilizar los vehículos eléctri350
cos como mecanismo de almacenamiento de excedentes energéticos. Dependiendo de las estrategias de recarga, más del 15% del total de las redes actuales de distribución deberían ser actualizadas o realizar inversiones para adaptarse a la demanda de vehículos eléctricos. Si dichos cambios no se realizan, las pérdidas eléctricas en la red podrían incrementarse en un 40% en horas pico cuando el 60% del parque automotor son coches eléctricos (Yilmaz & T. Krein, 2013). Figura 7. Análisis de pérdidas en redes V2G (Saedi Dehaghani & S. Williamson, 2012).
3.6 Reducción de la calidad del suministro eléctrico. Los vehículos eléctricos disponen de una gran cantidad de electrónica de potencia, necesaria para procesos tales como la carga y descarga de la batería, así como también para la propia operación del vehículo. La electrónica de potencia es el paso intermedio para una conversión de energía eléctrica eficiente mediante el uso de dispositivos semiconductores de potencia, los mismos que van desde los diodos de potencia y 351
los tiristores, hasta los IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) e IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor), estos últimos utilizados ampliamente en los procesos de transporte de la energía (Linder, 2006). Los cargadores de los vehículos eléctricos emplean grandes convertidores AC-DC los cuales distorsionan la onda de corriente (Moses, Dielami, Masoum, & Mosoum, 2010). La distorsión de onda provocada por estos cargadores es difícil de determinar ya que depende de algunos factores tales como el estado de carga inicial de la batería y su perfil de recarga. Un estudio llevado a cabo por (Staats, Grady, Arapostathis, & Thallam, 1997) demuestra el contenido armónico del sistema de carga de un vehículo eléctrico, el cual se muestra en la tabla 3, mostrada a continuación. Tabla 3. Contenido armónico del sistema de carga de un vehículo eléctrico (Staats, Grady, Arapostathis, & Thallam, 1997).
Por otra parte, en (Moses, Dielami, Masoum, & Mosoum, 2010) se demuestra el impacto de la conexión del vehículo eléctrico en una Smart Grid. Entre las principales conclusiones a las que se llega en estudio están: -
Una baja penetración de vehículos eléctricos con rangos normales de carga, producen bajos niveles de armónicos y desviaciones de voltaje, con un mínimo valor de pérdidas de energía. 352
-
-
Cargas rápidas producirán armónicos de voltaje y pérdidas significativas, además de sobrecargas en los transformadores si la recarga se concentra en las horas pico. Una alta penetración de vehículos eléctricos (por ejemplo en barrios o estacionamientos), puede causar inaceptables y severos niveles de armónicos de voltaje, pérdidas de energía y sobrecarga en transformadores. Mientras que las redes de alta tensión pueden soportar un incremento en el parque de vehículos eléctricos, las redes de baja tensión pueden ser vulnerables ante tal incremento, provocando sobrecarga en los componentes de dichas redes, como por ejemplo los transformadores.
En base al mismo estudio, en la tabla 4, se aprecia en detalle el impacto de diferentes modalidades de carga en la calidad del suministro eléctrico. Tabla 4. Impacto de la recarga del vehículo eléctrico sobre la calidad del suministro eléctrico (Moses, Dielami, Masoum, & Mosoum, 2010).
353
3.7 Incentivar al usuario. En algunos países se ofertan tarifas preferenciales de energía eléctrica para la recarga de los vehículos eléctricos (generalmente en horas de la noche), y de esta manera no solo incentivar económicamente al cliente, sino también reducir la carga pico del sistema (Yilmaz & T. Krein, 2013). Las recargas de los vehículos eléctricos se realizarían en horarios “no pico” o valle durante la noche, periodos en los que la demanda de electricidad es baja y los equipos de generación están suministrando la potencia base. Muchos estudios (Van Vliet, Brouwerb, Kuramochi, Van den Broek, & Faaij, 2011) (Qian, Zhou, Allan, & Y., 2006) demuestran que con este tipo de incentivos, la carga base se estabiliza y se minimizan los impactos sobre la carga pico en horarios nocturnos, es decir, un esquema de recarga en horarios valle permitiría aplanar la curva de demanda, es decir, reduciría la brecha entre la demanda pico y la demanda valle. Por ejemplo, en España mediante Real Decreto 647/2011 del 9 de Mayo, se crea el peaje de acceso 2.1 DHS para su aplicación a los suministros eléctricos de entre 10 y 15 kW (Junta de Castilla y León, 2013), creando de esta manera un paquete de incentivos para impulsar la compra y uso de vehículos eléctricos. Con el precio del kWh por la noche algo más bajo, la recarga de las baterías de un vehículo eléctrico es algo más barata que con la anterior tarifa valle (Motor Pasion Futuro, 2011). Tabla 5. Discriminación horaria supervalle (Junta de Castilla y León, 2013).
354
4. Conclusiones Dado que el vehículo eléctrico aún no ha tenido el despegue comercial esperado, el impacto de una conexión masiva aún no se ha podido evidenciar en un sistema eléctrico de potencia a escala real. Sin embargo, las limitantes antes estudiadas nos pueden dar una idea del probable impacto que tendría la conexión masiva de vehículos eléctricos sobre la gran red eléctrica. Las limitantes propias de la tecnología del vehículo eléctrico tales como: limitación de autonomía, escasez de infraestructura de recarga eléctrica e incluso la no estandarización de los sistemas de recarga han minimizado los efectos de esta tecnología sobre la red. Es necesario indicar que cualquier iniciativa relacionada a la integración de los vehículos eléctricos en la red necesita de una normativa pública que la regule. De esta forma se puede controlar la cantidad de vehículos eléctricos que podría participar en este tipo de programas y así garantizar que los servicios eléctricos como regulación de frecuencia y voltaje, reserva rodante, entre otros no afecten la operación ni los ingresos económicos de centrales de generación de mayor capacidad que también pueden proporcionar estos servicios. Los incentivos para el usuario, tanto para la compra de vehículos eléctricos como también para la participación en un programa V2G, son tan importantes como los detalles técnicos que se requieren para la implementación de redes de este tipo. Si el incentivo económico no es suficiente o si las condiciones de participación en el programa no son las más adecuadas, los usuarios únicamente utilizarán sus vehículos como medio de transporte. Un mecanismo de incentivo para que los usuarios participen, sería la de establecer tarifas eléctricas únicas y de bajo costo para recarga de vehículos eléctricos, así como también incentivos económicos en forma de descuentos para aquellos usuarios que conecten sus vehículos en determinados horarios de acuerdo a las solicitudes del operador del sistema eléctrico. 355
Las inversiones en mejoras y repotenciación de las redes eléctricas que se realizarían para el ingreso masivo de vehículos eléctricos, no solo servirán para este fin. Los recientes desarrollos en sistemas de generación distribuida y Smart Grids obligarán a las empresas de suministro eléctrico a mejorar y/o repotenciar las redes eléctricas para la instalación del equipamiento que requieren este tipo de redes. Aspectos como la eficiencia energética, el soporte para servicios auxiliares y la posibilidad de almacenamiento de los excedentes de las energías renovables brindan buenas posibilidades para una integración a gran escala de esta tecnología con sistemas de generación distribuida y las grandes redes inteligentes o Smart Grids.
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