Tecnología de Vehículo a red: Diseñada para Permitir la Red Inteligente

Fuente: VisualMarketplace/stock.adobe.com; Generado con IA

La industria automotriz se está moviendo cada vez más hacia los vehículos eléctricos (VE). Aunque no están exentos de inconvenientes ambientales, los VE abordan el cambio climático directamente al eliminar la combustión ineficiente de combustible de hidrocarburos y son más adecuados para adoptar tecnología de sensores avanzada para la conducción autónoma. Para maximizar los beneficios ambientales de los VE, también debemos cambiar a Fuentes de energía renovable. Las energías renovables, encabezadas por la solar y la eólica, son intermitentes: el sol no siempre brilla y el viento no siempre sopla. Los ingenieros están desarrollando soluciones para recolectar energía renovable intermitente, almacenarla y distribuirla de manera constante para los usuarios finales. Una de estas soluciones es la red inteligente, una red digital que consta de componentes de hardware y software; infraestructura de generación, distribución y consumo de energía; y tecnología de comunicación.

Estas tecnologías de red inteligente tienen como objetivo entregar electricidad lo más cerca posible de la demanda sin sobreproducir electricidad. Debido a su importancia en el esfuerzo de descarbonización mundial, se espera que el mercado global de redes inteligentes crezca de $ 43 mil millones en 2021 a más de $ 103 mil millones en 2026 a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 19 por ciento. [1]

Sin embargo, existe una brecha tecnológica en la adopción de redes inteligentes, que resulta de la necesidad de pasar de una red construida para entregar energía de hidrocarburos a una que pueda manejar energías renovables. Además, maximizar el uso de energía y, al mismo tiempo, satisfacer el crecimiento compuesto de la demanda de energía requerirá un flujo de energía bidireccional hacia y desde el vehículo eléctrico.

La Figura 1 muestra los elementos clave de la red inteligente, incluida la tecnología de carga de vehículo a red (V2G), que permite una eficiencia energética ultraalta.

Figura 1: Componentes V2G para la carga de vehículos eléctricos. (Fuente: petovarga/stock.adobe.com)

La tecnología V2G permite que los vehículos eléctricos se comuniquen con la red eléctrica y entreguen y reciban energía según demanda. Esta flexibilidad beneficia significativamente la descarbonización y la resiliencia energética. La unidad V2G, un inversor de energía que dirige la energía a la aplicación deseada es una nueva tecnología de red inteligente que permite el flujo de energía bidireccional.

Este artículo analiza las tecnologías V2G que habilitan la red inteligente y aprovechan los vehículos eléctricos como fuentes y sumideros de energía móviles.

¿Qué es V2G?

La tecnología V2G (Figura 2) es una forma innovadora para que los vehículos eléctricos y las redes eléctricas inteligentes se asocien para lograr un flujo de energía eficiente. La energía puede fluir hacia y desde una fuente, y la tecnología V2G actúa como válvulas que controlan la distribución en función de las necesidades. La energía puede fluir desde dispositivos con altos niveles de energía disponible a aquellos que necesitan carga. La tecnología V2G permite que el vehículo eléctrico actúe como una estación de almacenamiento de energía portátil, que proporciona físicamente energía auxiliar para el viaje.

 Figura 2: La tecnología V2G permite que los vehículos eléctricos redirijan la energía desde sus baterías a la red eléctrica, lo que ayuda a estabilizar la red y respaldar la integración de energía renovable. (Fuente:Naeblys/stock.adobe.com) 

El papel de V2G en la Estabilidad de La Red Eléctrica Inteligente

La red eléctrica existente se construyó para un flujo de energía unidireccional desde la central eléctrica hasta los usuarios finales. Hacer coincidir el suministro de energía con la curva de carga de la demanda es un desafío. Con un número finito de centrales eléctricas, los operadores históricamente han generado un exceso de energía para evitar cortes. Además, la eficiencia energética es fundamental para los sistemas de energía modernos, lo que incita a los operadores y consumidores a optimizar el uso de la energía para reducir los costos y mejorar la eficiencia. Las redes inteligentes y V2G permiten la reutilización de energía: una alta demanda de energía absorbe energía de otras fuentes y luego envía el exceso de nuevo a la red cuando la demanda disminuye. Si una parte de la red está inactiva, el sistema V2G puede detectarlo y extraer energía de fuentes remotas (en forma de casi mil millones de vehículos globales) para estabilizar la red.

La tecnología de red inteligente consiste principalmente en una red capaz de generar un flujo de energía bidireccional, medidores inteligentes y otras funciones del hogar para informar diagnósticos y proteger la seguridad. También incluye soporte de comunicación bidireccional para mejorar y automatizar el uso de energía para que coincida más estrechamente con la curva de carga.

La tecnología de red inteligente consiste principalmente en una red capaz de generar un flujo de energía bidireccional, medidores inteligentes y otras funciones del hogar para informar diagnósticos y proteger la seguridad. También incluye soporte de comunicación bidireccional para mejorar y automatizar el uso de energía para que coincida más estrechamente con la curva de carga.

Servicios de Respuesta a la Demanda
Lo "inteligente" en una red de distribución de energía de red inteligente es el control digital. Cuando una aplicación necesita energía, la unidad V2G dirige la energía allí hasta que ya no se necesita. La unidad V2G actúa como el cerebro de la tecnología de red inteligente, optimizando el uso de energía y minimizando los costos para el consumidor. Esta respuesta a la demanda permite establecer precios dinámicos de la energía para los consumidores, incentivando el uso en horarios de baja demanda. La reducción de los picos durante la demanda de energía desempeña un papel fundamental en la estabilidad de la red.

Integración de Energía Renovable.
Las tecnologías V2G son esenciales para integrar la energía renovable en la red y maximizar su uso. La energía eólica y solar son fuentes de energía intermitentes y pueden generar fluctuaciones de energía, mientras que la tecnología V2G puede almacenar energía en el automóvil cuando se necesita más energía. Cuando hay falta de energía, el automóvil puede descargar la energía almacenada nuevamente a la red. A través de esfuerzos colaborativos entre proveedores de energía, usuarios y agencias públicas, la tecnología V2G y la integración de energía renovable pueden contribuir de manera efectiva al desarrollo de un sistema energético más sostenible y resistente.

Algoritmos de carga inteligente para la gestión de la demanda máxima V2G

Para permitir el flujo de electricidad entre la red y un vehículo eléctrico, se comienza con un inversor bidireccional que puede convertir la energía de la red de CA en energía de la batería del vehículo de CC. r y CC a CA. Esta transmisión bidireccional crea nuevas oportunidades para gestionar el almacenamiento y la distribución de energía e incorporar energía renovable. Por ejemplo, la red puede almacenar el exceso de energía de las energías renovables durante el día y transmitirla cuando sea necesario, incluso de noche o durante los apagones.

Los sistemas V2G se basan en algoritmos de carga inteligentes para decidir cuándo y cuánto deben cargar o descargar sus baterías los vehículos eléctricos. Estos algoritmos tienen en cuenta factores como el estado del sistema, las fluctuaciones del precio de la energía, el estado y la tasa promedio de energía de fuentes renovables, y el voltaje de la batería de los vehículos eléctricos y las tasas de carga.

La consideración honesta de estos factores permite a los diseñadores de sistemas desarrollar cronogramas de transmisión de energía que satisfagan los cronogramas de carga y descarga de los vehículos eléctricos. Esto puede aliviar la demanda de suministro eléctrico, evitar apagones y reducir los costos de carga de la batería para los propietarios de vehículos eléctricos durante las horas de menor demanda.

El uso de protocolos de carga inteligentes puede aumentar la eficacia y el impacto de los modelos V2G al equilibrar la demanda de electricidad y, al mismo tiempo, ayudar a la integración de suministros de energía renovable.

Ahorro de Costes para los Propietarios de Vehículos Eléctricos

El "reciclaje" de la energía generada entre los dispositivos de consumo reduce los picos de demanda de energía, lo que permite a las empresas energéticas predecir mejor los costes a través de un perfil de demanda más consistente. Este recorte de picos puede ahorrar a los consumidores hasta 870 dólares por vehículo eléctrico al año. [2]

La carga inteligente también puede prolongar el ciclo de vida de las baterías de los vehículos eléctricos al controlar cómo se cargan y descargan para producir menos tensión. Esto beneficia a los usuarios de vehículos eléctricos al reducir la necesidad de baterías nuevas y contribuye a promover una red de transporte respetuosa con el medio ambiente. Las baterías deben mantener una carga de entre el 20 y el 80 por ciento para lograr la máxima eficiencia, y la tecnología V2G permite un mejor control de los niveles de carga. Además, la carga inteligente conserva el excedente de energía eólica y solar y mejora la resiliencia de la red al abordar las inconsistencias del suministro de energía.

Tecnología V2G y redes inteligentes

La inteligencia artificial (IA), el aprendizaje automático (ML), los sensores avanzados y los protocolos de comunicación inalámbrica son esenciales para avanzar en la tecnología V2G y permitir sistemas de red más inteligentes y eficientes.

Integración de IA y ML para mejorar los sistemas V2G

A medida que los ingenieros desarrollan un número cada vez mayor de tecnologías capaces de adoptar V2G, la IA y el ML pueden mejorar aún más el rendimiento de la red inteligente a través de la automatización y el modelado predictivo de la demanda.

La red ofrece datos masivos para que la IA los consuma. Los algoritmos de IA y ML pueden analizar el estado de la batería de los vehículos eléctricos, las condiciones de la red, los precios de la electricidad y los patrones de uso de los vehículos eléctricos. Los cambios en los datos se incorporan al software de IA y se tienen en cuenta la próxima vez que se necesita una predicción, lo que ofrece una mejora continua en la eficiencia energética. La IA también puede mejorar las funciones de conducción autónoma con la gestión de la energía para una mayor eficiencia.

Esta optimización continua equilibra aún más la red, reduce los costos de electricidad y prolonga la vida útil de la batería, el componente más alto del costo de un vehículo eléctrico. Además, las tecnologías de IA y ML pueden analizar las tendencias en la producción de energía renovable, ajustándola dinámicamente a lo largo del año. Al utilizar el exceso de capacidad de almacenamiento de energía, estas tecnologías pueden optimizar la integración de la energía renovable en la red, lo que garantiza un suministro de energía más estable y confiable.

Protocolos de Comunicación Inalámbrica en la Tecnología V2G

Otra parte esencial de la tecnología V2G es la comunicación inalámbrica, que promueve el intercambio de datos entre tres elementos críticos: la red, el vehículo eléctrico y la estación de carga. Al igual que la IA y el ML, la gestión de datos ayuda a controlar el intercambio de energía bidireccional y la gestión del rendimiento del sistema.

Los sistemas V2G utilizan protocolos de comunicación inalámbrica para recopilar datos sobre la identificación del vehículo, el estado de carga de la batería, la temperatura, la velocidad del vehículo eléctrico, el flujo de energía medido, la frecuencia de la red y más. Cada uno de estos protocolos (Wi-Fi®, comunicación dedicada de corto alcance (DSRC) y redes celulares de vehículo a todo (C-V2X)) incluye limitaciones y beneficios en cuanto al alcance, la velocidad y la seguridad, y deben integrarse para ofrecer la red inteligente de mayor rendimiento.

Wi-Fi
Wi-Fi es más adecuado para redes de área local (LAN) y es confiable en rangos cortos. Es limitado en rangos más largos y susceptible a interferencias en altas densidades de población de usuarios. Wi-Fi se utiliza mejor para la comunicación dentro del vehículo y la interfaz con el entorno inmediato de un vehículo eléctrico. DSRC Con la latencia más baja de los tres protocolos.

DSRC
es mejor para la comunicación directa de alta seguridad y alta velocidad entre vehículos e infraestructura. Su baja latencia es ideal para sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), que requieren una mayor sensibilidad de respuesta de señal para una mayor seguridad. DSRC funciona bien para casos de uso de distancia intermedia de hasta 1 km, como la comunicación de vehículo a vehículo y de vehículo a infraestructura para evitar colisiones y sortear paradas de tráfico.

C-V2X Networks
Dada su amplia área de cobertura, la telefonía celular es mejor para funciones y diagnósticos remotos. Proporciona un alto rendimiento de datos, lo que permite ng it es el protocolo ideal para la comunicación entre vehículos y peatones. Con una latencia más alta que DSRC, las redes C-V2X son mejores para aplicaciones que no necesitan la capacidad de respuesta más rápida, como el infoentretenimiento y las actualizaciones por aire.

Sensores Avanzados para la Gestión de Datos en Tiempo Real

Muchas tecnologías de sensores desarrolladas para vehículos autónomos (AV) pueden aplicarse a V2G. Los ingenieros deben emplear sensores para monitorear el estado de la batería a través del sistema de gestión de la batería (BMS), el estado de carga y muchos parámetros comunicados a través de protocolos inalámbricos. Además, los sensores de medición de energía inteligentes alimentan los algoritmos de control con datos para indicar cómo y cuándo los AV usan la energía. Esta mejora da como resultado un rendimiento y una eficiencia optimizados del sistema, lo que también podría beneficiar a los sistemas V2G.

Implementación de V2G

Si bien se está desarrollando la tecnología para V2G, implementarla a escala para su adopción a nivel nacional es un problema completamente diferente. Aún quedan varios desafíos para una red V2G nacional, pero la oportunidad de obtener ganancias en sostenibilidad y resiliencia de la red es atractiva tanto para el sector público como para el privado.

Desafíos y Oportunidades

La tecnología V2G presenta desafíos y oportunidades complejos, desde la degradación de la batería y los impactos en la cadena de suministro hasta las barreras regulatorias y del mercado, todos ellos fundamentales para dar forma a su implementación generalizada y sus posibles beneficios.

Degradación de la Batería e Impacto en la Cadena de Suministro
e están realizando investigaciones para determinar si la tecnología V2G sobrecarga la batería, reduciendo su ciclo de vida.[3] Aumentar la cantidad de ciclos de carga de ida y vuelta podría aumentar la tensión cíclica y la fatiga del material. Si no se gestionan adecuadamente, los ciclos de carga y descarga de la batería de los vehículos eléctricos pueden reducir la capacidad y la vida útil, lo que podría generar mayores costos de reparación para un componente costoso. Sin embargo, los algoritmos de carga inteligente pueden mitigar ese efecto y extender la vida útil de la batería.

Si bien la carga inteligente y la IA pueden mitigar las pérdidas por tensión, se sabe que la química de las baterías de iones de litio es menos estable que algunas químicas de baterías alternativas. Por ejemplo, el fosfato de hierro y litio, utilizado por Rivian y otros fabricantes de vehículos eléctricos, no se degrada tanto como el de iones de litio durante ciclos de carga repetidos. Barreras técnicas, de mercado y regulatorias La incorporación de la tecnología V2G en el marco de la red actual plantea una serie de dificultades. Como la red se construyó para un flujo de energía unidireccional, las complicaciones técnicas incluyen la integración del flujo de energía bidireccional, la incorporación de energía de fuentes renovables y la mejora de la comunicación y el control.

Barreras Técnicas, de Mercado y Regulatorias
La incorporación de la tecnología V2G en la red eléctrica actual plantea una serie de dificultades. Como la red se construyó para un flujo de energía unidireccional, las complicaciones técnicas incluyen la integración del flujo de energía bidireccional, la incorporación de energía de fuentes renovables y la mejora de la comunicación y el control.

Al tiempo que se abordan estas barreras técnicas, el mercado deberá invertir en capital para la infraestructura mejorada a nivel de los hogares y de la red. Durante los períodos de incertidumbre económica, los líderes a menudo priorizan los ahorros de costos a corto plazo sobre los beneficios a largo plazo, lo que crea la necesidad de nuevas reglas y estándares para facilitar la adopción generalizada de los sistemas V2G.

El costo nivelado de almacenamiento de energía varía de $0,085/kWh a $0,243/kWh, con estimaciones actuales del valor actual neto (VAN) entre -$1.317 y +$3.013. [4]  La mejora de la química de las baterías podría llevar el VAN de V2G a +$7.000 una vez que las químicas estén maduras. Estas cifras subrayan que la difusión de la tecnología V2G puede ser enormemente rentable, pero se necesitarán inversiones para hacerla realidad.

La implementación de la tecnología V2G también requerirá regulaciones para interconectar redes, alivio de los precios de la electricidad y subsidios para reducir la carga de capital sobre las agencias públicas y los consumidores. Por ejemplo, la norma relativamente reciente ISO 15118-20 define interfaces de comunicación V2G para la carga bidireccional entre vehículos eléctricos y estaciones de carga. [5]

Colaboración entre el Sector Público y Privado

Para aprovechar el potencial de la tecnología V2G y pasar de los proyectos de demostración a la adopción a gran escala, los reguladores deberán crear un entorno de apoyo basado en el rendimiento para impulsar los comportamientos que necesita el mercado. Las empresas de servicios públicos locales y los gobiernos deben permitir una infraestructura de carga generalizada y respaldar la implementación de la tecnología en los vehículos y la red.

Educar al público sobre los beneficios de la tecnología V2G para las personas y promover el uso de vehículos eléctricos también son tareas esenciales. Aumentar la conciencia del consumidor aumentará la adopción y mejorará las posibilidades de que la tecnología V2G tenga éxito. Al hacerlo, la industria energética dará un paso importante hacia la mejora de la sostenibilidad, el aumento del acceso y la adopción de energía renovable y la mejora de la resiliencia energética, contribuyendo así al desarrollo de un futuro energético sostenible.

Conclusión 

La tecnología V2G está revolucionando el uso de la energía. Puede aprovechar la creciente adopción mundial de vehículos eléctricos para movilizar energía para aumentar la red. Permite la recolección, el almacenamiento y el uso generalizados de fuentes de energía renovables intermitentes como la eólica y la solar para descarbonizar aún más la energía y, al mismo tiempo, reducir los costos para el consumidor.

Se necesitará la colaboración entre los sectores público y privado para desarrollar una mejor química de las baterías, infraestructura y mejoras de los componentes para adoptar la tecnología de energía bidireccional. Por último, se redactarán regulaciones y un panorama estandarizado, y se establecerán las reglas de participación. Se establecerán marcos regulatorios para los participantes del mercado existentes y nuevos a fin de lograr un panorama energético bidireccional nacional.

[1] https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/smart-grid-market-208777577.html