Tecnologia Vehicle-to-Grid: Projetada para Habilitar a Rede Inteligente

Fonte: VisualMarketplace/stock.adobe.com; Gerado com IA

A indústria automotiva está cada vez mais migrando para veículos elétricos (VEs). Embora não sem desvantagens ambientais, os VEs abordam as mudanças climáticas diretamente, removendo a combustão ineficiente de combustível de hidrocarboneto e são mais adequados para adotar tecnologia avançada de sensores para direção autônoma. Para maximizar os benefícios ambientais dos VEs, também devemos migrar para fontes de energia renováveis. As energias renováveis, lideradas pela solar e eólica, são intermitentes: o sol nem sempre brilha e o vento nem sempre sopra. Engenheiros estão desenvolvendo soluções para coletar energia renovável intermitente, armazená-la e implantá-la consistentemente para usuários finais. Uma dessas soluções é a rede inteligente, uma rede digital composta por componentes de hardware e software; infraestrutura de geração, distribuição e consumo de energia; e tecnologia de comunicação.

Essas tecnologias de rede inteligente visam fornecer eletricidade o mais próximo possível da demanda sem superproduzir eletricidade. Devido à sua importância no esforço mundial de descarbonização, espera-se que o mercado global de rede inteligente cresça de US$ 43 bilhões em 2021 para mais de US$ 103 bilhões em 2026 a uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de 19%. [1]

No entanto, existe uma lacuna tecnológica na adoção de rede inteligente, resultante da necessidade de mudar de uma rede construída para fornecer energia de hidrocarboneto para uma que possa lidar com energias renováveis. Além disso, maximizar o uso de energia enquanto atende ao crescimento da demanda de energia composta exigirá fluxo de energia bidirecional de e para o VE.

A Figura 1 mostra os principais elementos da rede inteligente, incluindo a tecnologia de carregamento de veículo para a rede (V2G), que permite eficiência energética ultra-alta.

Figura 1: Componentes V2G para carregamento de VE. (Fonte: petovarga/stock.adobe.com)

A tecnologia V2G permite que os VEs se comuniquem com a rede elétrica e forneçam e recebam energia sob demanda. Essa flexibilidade beneficia significativamente a descarbonização e a resiliência energética. A unidade V2G, um inversor de energia que direciona a energia para a aplicação desejada, é uma nova tecnologia de rede inteligente que permite fluxo de energia bidirecional.

Este artigo analisa as tecnologias V2G que permitem a rede inteligente e alavancam os VEs como fontes e coletores de energia móveis.

O que é V2G?

A tecnologia V2G (Figura 2) é uma maneira inovadora para os VEs e redes elétricas inteligentes se associarem para um fluxo de energia eficiente. A energia pode fluir de e para uma fonte, com a tecnologia V2G atuando como válvulas que controlam a entrega com base na necessidade. A energia pode fluir de dispositivos com altos níveis de energia disponível para aqueles que precisam de carga. A tecnologia V2G permite que o EV atue como uma estação de armazenamento de energia portátil, trazendo fisicamente energia auxiliar para a circulação.

 Figura 2: A tecnologia V2G permite que os EVs redirecionem a energia de suas baterias para a rede elétrica, ajudando a estabilizar a rede e a dar suporte à integração de energia renovável. (Fonte:Naeblys/stock.adobe.com) 

Função do V2G na estabilidade da rede elétrica inteligente

A rede elétrica existente foi construída para fluxo de energia unidirecional da estação de energia para os usuários finais. Combinar o fornecimento de energia com a curva de carga de demanda é desafiador. Com um número finito de estações de energia, os operadores historicamente geraram excesso de energia para evitar interrupções. Além disso, a eficiência energética é crítica para os sistemas de energia modernos, estimulando operadores e consumidores a otimizar o uso de energia para reduzir custos e melhorar a eficiência.

Redes inteligentes e V2G permitem a reutilização de energia: uma alta demanda de energia extrai energia de outras fontes e então envia qualquer excesso de volta para a rede quando a demanda diminui. Se uma parte da rede estiver inativa, o sistema V2G pode detectá-la e extrair energia de fontes remotas (na forma de quase um bilhão de veículos globais) para estabilizar a rede.

A tecnologia de rede inteligente consiste principalmente em uma rede capaz de fluxo de energia bidirecional, medidores inteligentes e outros recursos domésticos para relatar diagnósticos e proteger a segurança. Ela também inclui suporte de comunicação bidirecional para aprimorar e automatizar a utilização de energia para corresponder mais de perto à curva de carga.

Serviços de Resposta à Demanda
O "inteligente" em uma rede de distribuição de energia de rede inteligente é o controle digital. Quando uma aplicação precisa de energia, a unidade V2G direciona a energia para lá até que ela não seja mais necessária. A unidade V2G atua como o cérebro da tecnologia de rede inteligente, otimizando o uso de energia e minimizando os custos do consumidor. Essa resposta à demanda permite preços dinâmicos de energia para os consumidores, incentivando o uso em horários de menor demanda. O corte de pico durante a demanda de energia desempenha um papel fundamental na estabilidade da rede. Integração de Energia Renovável As tecnologias V2G são essenciais para integrar energia renovável na rede para maximizar o uso. Eólica e solar são fontes de energia intermitentes e podem levar à flutuação de energia, enquanto a V2G pode armazenar energia no carro quando mais energia é necessária. Quando há falta de energia, o carro pode descarregar a energia armazenada de volta na rede. Por meio de esforços colaborativos entre fornecedores de energia, usuários e agências públicas, a tecnologia V2G e a integração de energia renovável podem contribuir efetivamente para o desenvolvimento de um sistema de energia mais sustentável e resiliente.

Integração de Energia Renovável
As tecnologias V2G são essenciais para integrar energia renovável na rede para maximizar o uso. Eólica e solar são fontes de energia intermitentes e podem levar à flutuação de energia, enquanto a V2G pode armazenar energia no carro quando mais energia é necessária. Quando há falta de energia, o carro pode descarregar a energia armazenada de volta na rede. Por meio de esforços colaborativos entre fornecedores de energia, usuários e agências públicas, a tecnologia V2G e a integração de energia renovável podem contribuir efetivamente para o desenvolvimento de um sistema de energia mais sustentável e resiliente.

Algoritmos de Carregamento Inteligente para Gerenciamento de Pico de Demanda V2G

A ativação do fluxo de eletricidade entre a rede e um EV começa com um inversor bidirecional que pode converter a energia da rede CA em energia da bateria do veículo CC r e CC para CA. Essa transmissão bidirecional cria novas oportunidades para gerenciar o armazenamento e a entrega de energia e incorporar energia renovável. Por exemplo, a rede pode armazenar o excesso de energia de fontes renováveis --durante o dia e transmiti-la quando necessário, mesmo à noite ou durante apagões.

Os sistemas V2G contam com algoritmos de carregamento inteligentes para decidir quando e quanto os EVs devem carregar ou descarregar suas baterias. Esses algoritmos levam em conta fatores como condição do sistema, flutuações no preço da energia, condição e taxa média de energia de fonte renovável e tensão da bateria do EV e taxas de carregamento.

A consideração honesta desses fatores permite que os projetistas do sistema desenvolvam cronogramas de transmissão de energia que satisfaçam os cronogramas de carregamento e descarregamento do EV. Isso pode aliviar a demanda no fornecimento de eletricidade, evitar apagões e reduzir os custos de carregamento da bateria para proprietários de EV durante os horários de menor demanda.

O emprego de protocolos de carregamento inteligentes pode aumentar a eficácia e o impacto dos modelos V2G ao equilibrar a demanda por eletricidade e, ao mesmo tempo, auxiliar na integração de fontes de energia renováveis.

Economia de custos para proprietários de VE

A "reciclagem" de energia gerada entre dispositivos de consumo reduz os picos de demanda de energia, permitindo que as empresas de energia prevejam melhor os custos por meio de um perfil de demanda mais consistente. Esse corte de pico pode economizar aos consumidores até US$ 870 por VE por ano.[2]

O carregamento inteligente também pode estender o ciclo de vida das baterias de VE controlando como elas são carregadas e descarregadas para produzir menos tensão. Isso beneficia os usuários de VE reduzindo a necessidade de baterias novas e contribui para promover uma rede de transporte ecologicamente correta. As baterias precisam manter uma carga entre cerca de 20% e 80% para eficiência máxima, e o V2G permite melhor controle sobre os níveis de carga. Além disso, o carregamento inteligente conserva o excedente de energia eólica e solar e aumenta a resiliência da rede ao abordar inconsistências no fornecimento de energia.

Tecnologia V2G e redes inteligentes

Inteligência artificial (IA), aprendizado de máquina (ML), sensores avançados e protocolos de comunicação sem fio são essenciais para o avanço da tecnologia V2G e para permitir sistemas de rede mais inteligentes e eficientes.

Integração de IA e ML para aprimorar sistemas V2G

À medida que os engenheiros desenvolvem um número cada vez maior de tecnologias capazes de adotar V2G, IA e ML podem melhorar ainda mais o desempenho da rede inteligente por meio da automação e modelagem de demanda preditiva.

A rede oferece dados massivos para IA consumir. Algoritmos de IA e ML podem analisar a saúde da bateria dos VEs, condições da rede, preços de eletricidade e padrões de uso de VEs. Alterações nos dados são incorporadas ao software de IA e consideradas na próxima vez que uma previsão for necessária, oferecendo melhoria contínua na eficiência energética. A IA também pode aprimorar os recursos de direção autônoma com gerenciamento de energia para eficiência adicional.

Essa otimização contínua equilibra ainda mais a rede, reduz os custos de eletricidade e prolonga a vida útil da bateria — o maior componente do custo de um VE. Além disso, as tecnologias de IA e ML podem analisar tendências na produção de energia renovável, ajustando-a dinamicamente ao longo do ano. Ao utilizar o excesso de capacidade de armazenamento de energia, essas tecnologias podem otimizar a integração de energia renovável na rede, garantindo um fornecimento de energia mais estável e confiável.

Protocolos de comunicação sem fio na tecnologia V2G

Outra parte essencial da tecnologia V2G é a comunicação sem fio, que promove a troca de dados entre três elementos críticos: a rede, o VE e a estação de carregamento. Assim como a IA e o ML, o gerenciamento de dados auxilia no controle da troca de energia bidirecional e no gerenciamento do desempenho do sistema.

Os sistemas V2G usam protocolos de comunicação sem fio para coletar dados sobre a identificação do veículo, estado de carga da bateria, temperatura, velocidade do VE, fluxo de energia medido, frequência da rede e muito mais. Cada um desses protocolos — Wi-Fi®, comunicação dedicada de curto alcance (DSRC) e redes de veículo para tudo celular (C-V2X) — inclui limitações e benefícios em relação ao alcance, velocidade e segurança, e deve ser integrado para fornecer a rede inteligente de mais alto desempenho.

Wi-Fi
O Wi-Fi é mais adequado para redes locais (LANs) e é confiável em curtos alcances. Ele é limitado em alcances maiores e suscetível a interferências em altas densidades populacionais de usuários. O Wi-Fi é mais bem usado para comunicação no veículo e interface com os arredores imediatos de um VE.

DSRC
Com a menor latência dos três protocolos, o DSRC é melhor para comunicação direta, de alta segurança e alta velocidade entre veículos e infraestrutura. Sua baixa latência é ideal para sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS), que exigem maior sensibilidade de resposta de sinal para maior segurança. O DSRC funciona bem para casos de uso de distância intermediária de até 1 km, como comunicação veículo a veículo e veículo a infraestrutura para evitar colisões e navegar em paradas de trânsito.

C-V2X Networks
Dada sua ampla área de cobertura, o celular é melhor para funções remotas e diagnósticos. Ele fornece alta taxa de transferência de dados, tornando ng it o protocolo ideal para comunicação veículo-pedestre. Com uma latência maior que DSRC, as redes C-V2X são melhores para aplicações que não precisam de uma resposta mais rápida, como infoentretenimento e atualizações over-the-air.

Sensores avançados para gerenciamento de dados em tempo real

Muitas tecnologias de sensores desenvolvidas para veículos autônomos (AVs) podem ser aplicadas ao V2G. Os engenheiros devem empregar sensores para monitorar a saúde da bateria por meio do sistema de gerenciamento de bateria (BMS), estado de carga e muitos parâmetros comunicados por protocolos sem fio. Além disso, sensores inteligentes de medição de energia alimentam os dados dos algoritmos de controle para direcionar como e quando os AVs usam energia. Esse aprimoramento resulta em desempenho e eficiência otimizados do sistema, o que também pode beneficiar os sistemas V2G.

Implementação do V2G

Embora a tecnologia para V2G esteja sendo desenvolvida, implementá-la em escala para adoção nacional é um problema totalmente diferente. Vários desafios permanecem para uma rede V2G nacional, mas a oportunidade de ganhos de sustentabilidade e resiliência da rede é atraente para os setores público e privado.

Desafios e oportunidades

A tecnologia V2G apresenta desafios e oportunidades complexos, desde a degradação da bateria e impactos na cadeia de suprimentos até barreiras regulatórias e de mercado, todos essenciais para moldar sua ampla implementação e potenciais benefícios.

Degradação da bateria e impacto na cadeia de suprimentos
Pesquisas estão em andamento para determinar se a tecnologia V2G sobrecarrega a bateria, reduzindo seu ciclo de vida.[3] Aumentar o número de ciclos de carga de ida e volta pode aumentar a tensão do ciclo e a fadiga do material. Se não forem gerenciados adequadamente, os ciclos de carga e descarga da bateria EV podem diminuir a capacidade e a vida útil, o que pode levar a maiores custos de reparo para um componente caro. No entanto, algoritmos de carga inteligente podem mitigar esse efeito e estender a vida útil da bateria.

Embora a carga inteligente e a IA possam mitigar perdas por tensão, a química da bateria de íons de lítio é conhecida por ser menos estável do que algumas químicas alternativas de bateria. Por exemplo, o fosfato de ferro-lítio, usado pela Rivian e outros fabricantes de EV, não se degrada tanto quanto o íon de lítio durante ciclos de carga repetidos.

Barreiras técnicas, de mercado e regulatórias
A incorporação da tecnologia V2G na estrutura de rede atual apresenta uma série de dificuldades. Como a rede foi construída para fluxo de energia unidirecional, complicações técnicas incluem integração de fluxo de energia bidirecional, incorporação de energia de fontes renováveis --e melhoria de comunicação e controle.

Ao abordar essas barreiras técnicas, o mercado precisará investir em capital para infraestrutura aprimorada nos níveis residencial e de rede. Durante períodos de incerteza econômica, os líderes geralmente priorizam economias de custos de curto prazo em vez de benefícios de longo prazo, criando a necessidade de novas regras e padrões para facilitar a adoção generalizada de sistemas V2G.

O custo de armazenamento de energia nivelado varia de US$ 0,085/kWh a US$ 0,243/kWh, com estimativas atuais de valor presente líquido (VPL) entre -US$ 1.317 e +US$ 3.013. [4] A melhoria da química da bateria pode levar o VPL do V2G para +US$ 7.000 quando as químicas estiverem maduras. Esses números ressaltam que o V2G generalizado pode ser extremamente lucrativo, mas exigirá investimento para realizá-lo.

A implementação da tecnologia V2G também exigirá regulamentações para interconexão de redes, redução de preços de eletricidade e subsídios para reduzir a carga de capital sobre agências públicas e consumidores. Por exemplo, o padrão ISO 15118-20 relativamente recente define interfaces de comunicação V2G para carregamento bidirecional entre EVs e estações de carregamento. [5]

Colaboração dos Setores Público e Privado

Para aproveitar o potencial do V2G e passar de projetos de demonstração para adoção em escala, os reguladores precisarão criar um ambiente de suporte baseado em desempenho para impulsionar os comportamentos de que o mercado precisa. As concessionárias locais e os governos devem permitir uma infraestrutura de carregamento generalizada e dar suporte à implementação de tecnologia em veículos e na rede.

Educar o público sobre os benefícios do V2G para os indivíduos e promover o uso de EVs também são tarefas essenciais. Aumentar a conscientização do consumidor aumentará a adoção e melhorará as chances de sucesso da tecnologia V2G. Ao fazer isso, a indústria de energia dará um passo significativo para melhorar a sustentabilidade, aumentando o acesso e a adoção de energia renovável e ajudando na resiliência de energia, contribuindo assim para o desenvolvimento de um futuro de energia sustentável.

Conclusão 

A tecnologia V2G está revolucionando a utilização de energia. Ele pode alavancar a expansão da adoção global de VE para mobilizar energia para aumentar a rede. Ele permite a coleta, armazenamento e uso generalizados de fontes de energia renováveis --intermitentes, como eólica e solar, para descarbonizar ainda mais a energia, reduzindo os custos do consumidor.

A colaboração entre os setores público e privado será necessária para desenvolver química de bateria aprimorada, infraestrutura e aprimoramentos de componentes para adotar tecnologia de energia bidirecional. Finalmente, regulamentações e um cenário padronizado serão escritos, e as regras de engajamento para participantes de mercado existentes e novos será estabelecido para atingir um cenário nacional de energia bidirecional.

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