Gestió de la càrrega dels vehicles elèctrics.

Donades les limitacions als combustibles fòssils i l'augment de la quantitat d’emissions alliberades al medi, el sector del transport s'està redissenyant. 

L’ús dels vehicles elèctrics (EV) no només passa per  solucionar el problema de l’accessibilitat dels combustibles fòssils, sinó que també ajuda a la reducció de les emissions provada pel creixent nombre de vehicles.  Diversos països d'arreu del món tenen objectius establerts per l'electrificació del transport i esperen substituir un percentatge o tot, veihicles de combustió. Aquest és un gran repte, especialment en els països amb una gran densitat de població, com és l'Índia, on el nombre registrats de vehicles, actualment ja superen els 200 milions.

Un dels principals reptes que ha enfrontat el transport elèctric és l’ansietat sobre la seva autonomia i a on carregar.  Un repte addicional és que els EV necessiten una quantitat important de temps per recarregar, on fins i tot la càrrega ràpida requereix entre 30-45 minuts. Per combatre aquesta situació, s’han d’introduir instal·lacions de recàrrega adequades a la xarxa vial i elèctrtica. Per tant, la ubicació de l'estació de recàrrega és un aspecte important per la planificació dels EV, seguida  per una gestió adequada en aquestes estacions de recàrrega. Tot plegat, la xarxa elèctrica, la xarxa de transport, la densitat de població i la demanda dels EV tenen un paper important a fer front. 

Entre les entitats clau involucrades en la gestió de les tarifes es troben el proveïdor de serveis (SP), la xarxa i els controladors de vehicles externs. Amb l'ajuda de múltiples ubicacions de càrrega / intercanvi, un  SP és capaç de gestionar la recàrrega al mateix temps que maximitza el seu propi benefici i intenta minimitzar la càrrega de la xarxa. La programació es produeix amb la comunicació i el flux d’energia entre aquestes tres entitats (Figura 1).

Figura 1: Flux de comunicacions i energia (línia - comunicació) Font: IEEE Smart Grid

Cadascuna de les tres entitats afegeix determinades limitacions al problema de la gestió del cobrament. En primer lloc, el controlador EV té uns requisits basats en els quals voldria recarregar. La inclusió del comportament dels consumidors és important per a la gestió de cobrament, ja que determina el possible calendari i lloc d’on es pot programar la recàrrega de vehicles externs. La majoria de persones reposten el seu vehílces mentre viatgen d'un lloc a un altre. Per als dies feiners, aquest temps de viatge coincideix amb l’horari d’oficina dels conductors d’EV. 

Figura 2: Patró de viatges de rodalies en 24 hores Font: IEEE Smart Grids

Assumint el mateix patró per als conductors d'EV i la necessitat de recarregar en el seu camí cap a una destinació determinada, llavors, el nombre màxim de sol·licituds de recàrrega estaria al voltant de les hores punta. El SP gestiona la programació a n punts de càrrega de tal manera que es poden programar un màxim d'EVs. Cal tenir en compte que la figura 2 proporciona l'hora de sortida i l'hora d'arribada, amb la qual cosa es produiria un desplaçament dels pics. Si es considera una situació de  limitada penetració dels EV, en una zona de densitat poblacional baixa, la situació sembla més manejable amb el n punt de càrrega. Tanmateix, a mesura que la penetració augmenta o es considera la mateixa penetració en una àrea densament poblada, un nombre més gran de SV podria fer peticions  el mateix temps i lloc per a la recàrrega. Això suposa un problema ja que s'ha de complir el requisit de l'usuari.

Figura 3: p% de penetració en baixa densitat de població: disponibilitat d’opcions de recàrrega. Font: IEEE Smart Grids

Figura 4: p% de penetració d'eVs en població densa> peticions competitives per a temps de càrrega i ubicacion. Font: IEEE Smart Grids

Com a exemple, si es vol intentar programar més de 1000 EVs, que requerien un temps de càrrega entre 15 i 45 minuts. La planificació s’implementa en funció de les  franges horàries de 15 minuts. A la figura 5 i a la figura 6. es pot observar el consum horari d'energia. Els gràfics de barres mostren els temps de sortida de la font de viatge (eix dret). A causa de les limitacions dels punts de recàrrega a l'hora sol·licitada, pocs dels EV quedarien sense programació de càrrega.

Figura 5: Consum energètic horari. Font: IEEE Smart Grids

Figura 6: Consum d'energia en ranura (Slot = 15 minuts). font: IEEE Smart Grids

Tenint en compte l’impacte sobre la xarxa elèctrica, una penetració més gran dels VE afegirà una càrrega més gran mentre es fa una recàrrega. A més, el temps de sol·licituds màxims coincideix amb les hores de càrrega màximes mitjanes. La càrrega total de la xarxa en un moment determinat serà:

Càrrega de la xarxa = Càrrega base + Càrrega EV

Si s'usen les figures 5 i 6, mostrant el consum d'energia, és clar que s'introduirà una càrrega excessiva a la xarxa a les hores punta, o propera a les hores punta. A més, a mesura que la penetració dels EV continuï augmentant, especialment en zones amb més densitat de població, la càrrega programada continuarà augmentant. En aqeusta situació, hi hauran limitacion de recàrega.

Finalment, si es considera al proveïdor de serveis, llavors, l’objectiu principal  és planificar el màxim nombre possible d’EVs de manera que es maximitzi el seu benefici, on:

Beneficies = Ingressos - Cost - Penalitzacions

en aques cas, cost, es refereix al cost de compra d’energia de la xarxa. Es poden considerar diferents enfocaments de preus d'energia. Les penelitzacions es refereixen a tots els descomptes que es puguin oferir als conductors d'EV en cas que no estiguin programats. Es produeix més l’impacte d’una població quan s'explora el benefici del proveïdor de serveis per a un nombre creixent de sol·licituds d’EV. Despres, els beneficis comencen a disminuir a causa d'un augment del nombre d'EVs no programats (figura 7).

Figura 7: beneficis sense penalitzacions i amb penalitzacions incloses. Font: IEEE Smart Grids

Una solució a aquest problema es presenta en termes d’estacions de canvi de bateries (BSS). En lloc de carregar la bateria EV al moment que l'EV arribi a l'estació, es canvia la bateria esgotada (DB) amb una bateria carregada (CB). Aquesta durada té, de mitjana, menys de 10 minuts, el que és significativament inferior al temps requerit. Aquesta idea ha estat presentada a l’article IPWEA (Institute of Public Works Engineering Australasia), al maig del 2019. A més, ja que les bateries ara es poden carregar en un moment convenient tant per a la xarxa com per al proveïdor de serveis en termes d’energia consumida i el cost. d’energia, l’intercanvi de bateries permet una gestió més flexible. Els ingressos del proveïdor de serveis ara impliquen una quota de servei. Una altra opció amb BSS és carregar els DB en un lloc fora del lloc on la càrrega de la graella és més manejable.

Figura 8: BSS a la mateixa ubicació que EVCS juntament amb la càrrega a fora de les bateries. Font: IEEE Smart Grids

Tot i que l’intercanvi de bateries genera preocupacions sobre la qualitat de la bateria intercanviada, en general, s'observa que els BSS ofereixen una major flexibilitat i comoditat per a totes les entitats implicades, especialment quan es consideren zones amb una densitat molt densa.

Font: IEEE Smart Grids