Vehicle-to-grid ( V2G ) describe un sistema en el que los vehículos eléctricos enchufables (PEV) venden servicios de respuesta a la demanda a la red . Los servicios de demanda entregan electricidad a la red o reducen la tasa de carga de la red. Los servicios de demanda reducen los picos de demanda de suministro de la red y, por lo tanto, reducen la probabilidad de interrupciones por variaciones de carga. [1] [2] [3] Vehículo a carga ( V2L ) y Vehículo a vehículo ( V2V ) están relacionados, pero la fase de CA no está sincronizada con la red, por lo que la energía solo está disponible para "apagar". carga de red".
Los vehículos eléctricos enchufables incluyen vehículos eléctricos de batería (BEV), híbridos enchufables (PHEV) y vehículos de hidrógeno . Comparten la capacidad de generar electricidad que normalmente se utiliza para impulsar el vehículo. Sin embargo, como los coches pasan la mayor parte del tiempo aparcados, su energía permanece almacenada. V2G permite que parte de esta energía almacenada se envíe a la red y reduce la necesidad de tomar energía de la red. Un informe de 2015 encontró que los propietarios de vehículos podrían recibir pagos significativos cargando sus vehículos eléctricos en horas de menor actividad cuando la electricidad es más barata, almacenándola en la batería de su automóvil y vendiéndola a la red en horas pico cuando los precios de la electricidad son más altos. [4]
Las baterías tienen un número finito de ciclos de carga, así como una vida útil limitada, por lo que V2G puede reducir la longevidad de la batería. La capacidad de la batería es una función compleja de la química de la batería, las tasas de carga/descarga, la temperatura, el estado de carga y la antigüedad, pero mejora a medida que mejora la tecnología. La mayoría de los estudios sobre los efectos del V2G en la duración de la batería muestran que velocidades de descarga más lentas del V2G reducen la degradación, mientras que un estudio sugirió que el uso de vehículos para el almacenamiento en la red podría mejorar la longevidad. [5]
Los vehículos de pila de combustible de hidrógeno (FCV) con tanques que contienen 5,6 kg de hidrógeno pueden generar más de 90 kWh de electricidad. [6] Las baterías de los vehículos pueden contener 100 kWh o más .
La carga unidireccional V2G (UV2G) es técnicamente más sencilla que suministrar energía desde una batería de vehículo eléctrico, algo para lo que muchos PEV no están equipados. [7] A partir de 2024 [actualizar], la mayoría de los vehículos eléctricos requieren un inversor independiente del que se utiliza para alimentar los motores de propulsión para poder generar energía de CA desde la batería. UV2G se puede ampliar limitando otras actividades como el calentamiento y enfriamiento del aire. [8] [9]
V2G comenzó como carga de vehículo a vehículo (V2V), tal como lo introdujo la empresa californiana AC Propulsion a principios de la década de 1990. Su coche biplaza Tzero contaba con carga bidireccional. [10] V2G permite la carga y descarga entre el vehículo y la red. [11]
Los vehículos V2G pueden proporcionar energía para ayudar a equilibrar las cargas de la red mediante el "llenado de valle" [12] (cargando por la noche cuando la demanda es baja) y la " reducción de picos " (enviando energía a la red cuando la demanda es alta; ver curva de pato ). [13] La nivelación de carga máxima respalda los servicios de regulación (manteniendo estable el voltaje y la frecuencia) y proporciona reservas giratorias (para satisfacer demandas repentinas de energía). Combinar estos servicios con "medidores inteligentes" permite V2G. [14] V2G podría amortiguar fuentes de energía variables almacenando el exceso de energía y proporcionándola a la red durante períodos de alta carga.
Se ha propuesto que las empresas de servicios públicos no tuvieran que construir tantas centrales eléctricas alimentadas con carbón y gas para satisfacer la demanda máxima o como póliza de seguro contra cortes de energía . [15] La demanda local se mide fácilmente, por lo que se puede proporcionar una nivelación de carga dinámica según sea necesario a nivel local. [dieciséis]
Carbitrage, un acrónimo de "coche" y " arbitraje ", a veces se utiliza para referirse al proceso de compra y venta de energía almacenada en un vehículo. [17]
Los vehículos eléctricos generalmente pueden almacenar más que la demanda de energía diaria de un hogar promedio y suministrar energía de emergencia a un hogar durante varios días, utilizando la transmisión de vehículo a hogar (V2H).
Aunque el concepto de carga V2H es simple, ponerlo en práctica requiere un sistema tecnológicamente complejo. Las estaciones de carga deben integrar software que se comunique con la red central para monitorear la demanda del sistema en tiempo real. [18] [19]
El operador de la red de California, CAISO , define cuatro niveles de interfaz vehículo-red (VGI): [20]
V1G implica variar el tiempo y la velocidad a la que se carga un vehículo eléctrico. También se le conoce como servicios de carga gestionada unidireccional, V2G unidireccional o “carga inteligente”. Los enfoques V1G incluyen cargar a mitad del día para absorber la energía solar que de otro modo se descartaría (desconexión de carga) y variar la tasa de carga para proporcionar respuesta de frecuencia o servicios de equilibrio de carga. [ cita necesaria ]
Vehículo a casa (V2H), vehículo a carga (V2L), vehículo a vehículo (V2V), [21] y vehículo a edificio (V2B), a veces denominados colectivamente vehículo a todo (V2X). ): utilizar el vehículo para proporcionar energía durante un corte de energía o para desplazar la energía de la red con energía posiblemente de otras fuentes de energía almacenadas en la batería del vehículo. [22] La fuente de energía puede ser renovable; por ejemplo, los vehículos cargados con energía solar en el trabajo durante el día podrían alimentar una casa durante la noche, sin necesidad de consumir energía de la red.
Para 2022, V2X aún no había llegado a su implementación en el mercado, excepto en Japón, donde las soluciones comerciales V2H están disponibles desde 2012. [23] [24] En 2022, Utrecht estaba instalando miles de cargadores bidireccionales en anticipación de la llegada de vehículos que admitan carga bidireccional. flujos de energía. [25]
Para 2023, habían salido al mercado varios vehículos que soportaban la transferencia de energía V2X. La Ford F-150 Lightning admite 9,6 kW de potencia V2L o V2H. [26] Tesla comenzó las entregas de un nuevo camión ligero Cybertruck que ofrece 11,5 kW de capacidad V2H o V2L. [21]
V2G permite que los vehículos suministren electricidad a la red, y la energía la paga el operador de la empresa de servicios públicos o del sistema de transmisión. [27] En muchas jurisdicciones, satisfacer la demanda de energía durante los períodos de máxima demanda es mucho más costoso que en otros momentos. La energía de los vehículos eléctricos es potencialmente una alternativa más barata. Además, la energía de los vehículos eléctricos puede facilitar servicios auxiliares [28], como el equilibrio de carga y el control de frecuencia, incluida la regulación de frecuencia primaria y la reserva secundaria. [29]
V2G requiere hardware especializado (como inversores bidireccionales ), tiene pérdidas de energía significativas y una eficiencia de ida y vuelta limitada, y los ciclos de carga/descarga pueden acortar la vida útil de la batería. Southern California Edison realizó un proyecto V2G en California en 2016 como piloto y descubrió que los ingresos del proyecto eran inferiores a los costos de administración del proyecto, lo que eliminaba sus beneficios económicos. [30]
Los vehículos eléctricos suelen permitir una carga rápida de CC , con el transformador en una estación de carga conectado directamente a la batería del vehículo. Se está desarrollando tecnología para la carga CC bidireccional desde y hacia la estación, sin necesidad de hardware adicional en el automóvil, teniendo el convertidor CC a CA en la estación. En principio, los vehículos eléctricos sin soporte de hardware para V2G podrían obtener capacidad bidireccional con solo una actualización de software. [31] [32]
La mayoría de los vehículos eléctricos modernos utilizan celdas de iones de litio que ofrecen una eficiencia de ida y vuelta superior al 90%. [33] La eficiencia depende de factores como la tasa de carga, el estado de carga, el estado de la batería y la temperatura. [34] [35]
La mayoría de las pérdidas de energía provienen de componentes del sistema distintos de la batería, en particular de la electrónica de potencia, como los inversores. [36] Un estudio encontró una eficiencia de ida y vuelta para sistemas V2G en el rango del 53% al 62%. [37] Otro estudio informó una eficiencia de alrededor del 70%. [38] La eficiencia general depende de muchos factores y puede variar ampliamente. [36] [39]
Según un estudio del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), el uso cada vez mayor de vehículos eléctricos enchufables y otras tecnologías dependientes de la electricidad podría aumentar la presión sobre las redes eléctricas de EE. UU. hasta en un 38 % para 2050. La demanda presenta un desafío importante tanto para las compañías eléctricas como para las agencias gubernamentales. [40] [19]
En julio de 2022, ocho autobuses escolares eléctricos en el territorio de servicio de San Diego Gas & Electric (SDG&E) formaron parte de un proyecto piloto V2G de cinco años para aumentar la confiabilidad durante fallas eléctricas. [41] [42] Utilizando el software V2G de Nuvve, [43] las baterías del autobús se agregan a otras en un distrito escolar cercano para formar un recurso participante en el Programa de reducción de carga de emergencia ( ELRP ), [44] que se inició en 2021. por la Comisión de Servicios Públicos de California . SDG&E, Pacific Gas and Electric y Southern California Edison gestionarán el piloto.
En septiembre de 2022, se presentó en el Senado de los Estados Unidos la Ley BIDIRECCIONAL para "crear un programa dedicado al despliegue de autobuses escolares eléctricos con capacidad de flujo bidireccional del vehículo a la red (V2G)". [45]
En América del Norte, al menos dos importantes fabricantes de autobuses escolares ( Blue Bird y Lion) están trabajando para demostrar los beneficios de la electrificación y la tecnología V2G. En 2020, los autobuses escolares de EE. UU. consumían 3.200 millones de dólares de diésel al año. Su electrificación podría ayudar a estabilizar la red eléctrica, disminuir la necesidad de centrales eléctricas y reducir la contaminación por gases y partículas y el dióxido de carbono procedente de las emisiones de escape. [46] [47] [48]
En 2017, en la Universidad de California en San Diego , el proveedor de tecnología V2G Nuvve lanzó un programa piloto llamado INVENT, financiado por la Comisión de Energía de California , con la instalación de 50 estaciones de carga bidireccionales V2G alrededor del campus. [49] El programa se amplió en 2018 para incluir una flota de PEV para su servicio de transporte Triton Rides. [50]
En 2018, Nissan lanzó un programa piloto bajo la iniciativa Nissan Energy Share en asociación con la empresa de sistemas V2G Fermata Energy para utilizar la tecnología V2G para alimentar parcialmente la sede de Nissan Norteamérica en Franklin, Tennessee . [51] En 2020, el sistema de carga bidireccional de vehículos eléctricos de Fermata Energy se convirtió en el primero en obtener la certificación según la norma de seguridad norteamericana, UL 9741, la norma para equipos de sistemas de carga bidireccionales de vehículos eléctricos (EV). [52]
Japón planeaba gastar 71.100 millones de dólares para mejorar la infraestructura de red existente. [ cita necesaria ] Los hogares japoneses promedio usan de 10 a 12 kWh al día. La capacidad de la batería del Nissan Leaf de 24 kWh podría proporcionar hasta dos días de energía. [ cita necesaria ]
En noviembre de 2018, en la ciudad de Toyota, prefectura de Aichi, Toyota Tsusho Corporation y Chubu Electric Power Co., Inc iniciaron demostraciones V2G con vehículos eléctricos. La demostración examinó cómo los sistemas V2G equilibran la demanda y la oferta y los impactos en la red eléctrica. En un estacionamiento de la prefectura de Aichi se instalaron dos estaciones de carga bidireccionales, conectadas a un servidor de agregación V2G administrado por Nuvve Corporation . [53]
El Proyecto Edison pretende instalar suficientes turbinas para satisfacer el 50% de las necesidades energéticas totales de Dinamarca, mientras utiliza V2G para proteger la red. El Proyecto Edison planea utilizar PEV mientras están conectados a la red para almacenar energía eólica adicional que la red no puede manejar. Durante las horas de mayor consumo energético, o cuando el viento esté en calma, la energía almacenada en estos PEV se inyectará a la red. Para ayudar en la aceptación de los PEV, los vehículos de cero emisiones recibieron subsidios gubernamentales. [ cita necesaria ]
Después del proyecto Edison, se inició el proyecto Nikola [54] , que se centró en demostrar la tecnología V2G en un laboratorio en el campus de Risø de la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU). DTU es socio junto con Nuvve y Nissan. El proyecto Nikola se completó en 2016, sentando las bases para el proyecto Parker, que utilizó una flota de vehículos eléctricos para demostrar la tecnología en un entorno de la vida real. Este proyecto contó con la colaboración de DTU , [55] Insero, Nuvve, Nissan y Frederiksberg Forsyning (un operador de sistema de distribución danés en Copenhague). Los socios exploraron oportunidades comerciales probando y demostrando sistemáticamente los servicios V2G en todas las marcas de automóviles. Se identificaron barreras económicas y regulatorias, así como los impactos económicos y técnicos de las aplicaciones en el sistema eléctrico y los mercados. [56] El proyecto comenzó en agosto de 2016 y finalizó en septiembre de 2018.
A partir de enero de 2011, se implementaron programas y estrategias para ayudar en la adopción de PEV.
En 2018, EDF Energy anunció una asociación con Nuvve para instalar hasta 1.500 cargadores V2G. Los cargadores se ofrecerían a los clientes comerciales de EDF Energy y en sus propias instalaciones para proporcionar hasta 15 MW de capacidad de almacenamiento de energía. [57]
En octubre de 2019, un consorcio llamado Vehicle to Grid Britain (V2GB) publicó un informe de investigación sobre el potencial de las tecnologías V2G. [58] [59]
Solaris inauguró un parque de carga en Bolechowo, Polonia, el 29 de septiembre de 2022, con el objetivo de probar la carga y descarga de vehículos eléctricos. [60]
Desde 2020, el equipo Realizing Electric Vehicle-to-grid Services (REVS) de la Universidad Nacional Australiana (ANU) ha estado estudiando la confiabilidad y viabilidad de V2G a escala, [61] derivando el Proyecto de integración de red y almacenamiento de baterías [62 ] iniciativa.
En 2022, el primer cargador V2G estuvo disponible para su compra en Australia, pero se produjeron retrasos en su implementación debido a procesos regulatorios, ya que cada autoridad estatal de energía debía certificarlos como conformes (tras la aprobación del gobierno australiano). También ha habido una aceptación limitada debido a los altos precios y a que muy pocos vehículos eléctricos están aprobados para usar V2G (en 2023, solo el Nissan Leaf EV y algunos vehículos eléctricos híbridos de Mitsubishi). Este lanzamiento sigue a la producción de los investigadores de la ANU de una revisión exhaustiva de proyectos internacionales V2G. [63] [ página necesaria ]
Un proyecto en Alemania de The Mobility House en asociación con Nissan y TenneT utilizó el Nissan Leaf para almacenar energía, [64] la idea principal es generar una solución esencial para el mercado energético alemán: se utiliza energía eólica del norte del país. cargar los vehículos eléctricos mientras los vehículos eléctricos suministran a la red durante los picos de demanda, reduciendo el uso de combustibles fósiles. El proyecto utilizó diez estaciones de carga de vehículos. Las medidas inteligentes de redistribución de energía estaban controladas por software. Los resultados mostraron que la electromovilidad se puede utilizar para controlar de manera flexible las fuentes de generación renovables que varían con el clima.
El proyecto Edison de Dinamarca , abreviatura de "Vehículos eléctricos en un mercado distribuido e integrado utilizando energía sostenible y redes abiertas", fue un proyecto de investigación parcialmente financiado por el estado en la isla de Bornholm , en el este de Dinamarca. El consorcio incluía a IBM , Siemens , el desarrollador de hardware y software EURISCO, la mayor empresa energética de Dinamarca, Ørsted (anteriormente DONG Energy), la empresa energética regional Østkraft, la Universidad Técnica de Dinamarca y la Asociación Danesa de Energía. Se exploró cómo equilibrar las cargas eléctricas impredecibles generadas por los parques eólicos de Dinamarca, que entonces generaban aproximadamente el 20 por ciento de la electricidad del país, mediante el uso de PEV y sus acumuladores. El objetivo del proyecto era desarrollar la infraestructura necesaria. [65] En el proyecto se utilizará al menos un Toyota Scion reconstruido con capacidad V2G . [66] El proyecto fue importante en los esfuerzos de Dinamarca por ampliar su generación de energía eólica al 50% para 2020. [67] Según una fuente del periódico británico The Guardian , "nunca se había intentado a esta escala" anteriormente. [68] El proyecto concluyó en 2013. [69]
En 2020, la empresa de servicios públicos E.ON desarrolló una solución V2H con gridX. [70] Las dos empresas implementaron su solución en un hogar privado para probar la interacción de un sistema fotovoltaico (PV), almacenamiento de baterías y carga bidireccional. La casa está equipada con tres baterías con una capacidad combinada de 27 kWh, un cargador de CC y un sistema fotovoltaico de 5,6 kWp ( kilovatio pico ). Se utilizó un Nissan Leaf de 40 kWh.
En 2014, el Southwest Research Institute (SwRI) desarrolló el primer sistema de agregación V2G calificado por el Electric Reliability Council of Texas (ERCOT). El sistema permite participar a los propietarios de flotas de camiones de reparto eléctricos. Cuando la frecuencia de la red cae por debajo de 60 Hertz, el sistema suspende la carga del vehículo, eliminando esa carga en la red, permitiendo que la frecuencia aumente hacia la normalidad. El sistema funciona de forma autónoma. [71]
El sistema se desarrolló originalmente como parte del programa de Fase II de Demostración de infraestructura de energía inteligente para confiabilidad y seguridad energética (SPIDERS), dirigido por Burns y McDonnell Engineering Company, Inc. [72] En noviembre de 2012, SwRI recibió un contrato de $ 7 millones de el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EE. UU. para demostrar V2G. [73] En 2013, los investigadores del SwRI probaron cinco estaciones de carga rápida de CC. El sistema pasó las pruebas de integración y aceptación en agosto de 2013. [74]
El Prof. Dr. Ad van Wijk, Vincent Oldenbroek y la Dra. Carla Robledo, investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft , llevaron a cabo en 2016 una investigación sobre la tecnología V2G con FCEV de hidrógeno . Se realizaron tanto trabajos experimentales con FCEV V2G como estudios de escenarios tecnoeconómicos para sistemas integrados de energía y transporte 100% renovables, utilizando hidrógeno y electricidad como vectores energéticos. [75] Un Hyundai ix35 FCEV fue modificado para entregar hasta 10 kW de potencia CC [3] manteniendo al mismo tiempo la preparación para la carretera. Con Accenda desarrollaron una unidad V2G que convierte la energía CC del vehículo en energía CA trifásica y la inyecta a la red. [3] El Future Energy Systems Group comprobó si los FCEV podían ofrecer reservas de frecuencia. [76]
Kempton, Advani y Prasad realizaron una investigación V2G. Kempton publicó artículos sobre la tecnología y el concepto. [19] [77]
Se llevó a cabo una implementación operativa en Europa a través del proyecto MeRegioMobil, financiado por el gobierno alemán, con Opel como socio de vehículos y la empresa de servicios públicos EnBW aportando experiencia en redes. [78] Otros investigadores son la Pacific Gas and Electric Company , Xcel Energy , el National Renewable Energy Laboratory y, en el Reino Unido , la Universidad de Warwick . [79]
En 2010, Kempton y Poilasne cofundaron Nuvve, una empresa de soluciones V2G. La empresa formó asociaciones industriales e implementó proyectos piloto V2G en cinco continentes. [49] [80]
El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley desarrolló V2G-Sim, una plataforma de simulación utilizada para modelar el comportamiento espacial y temporal de conducción y carga de PEV individuales en la red. Sus modelos investigan los desafíos y oportunidades de los servicios V2G, como la modulación del tiempo de carga y la tasa de carga para la respuesta a la demanda máxima y la regulación de la frecuencia de los servicios públicos . Los hallazgos preliminares indicaron que el servicio V2G controlado puede proporcionar servicios de reducción de picos y llenado de valles para equilibrar la carga eléctrica diaria y mitigar la curva de pato. Se demostró que la carga incontrolada de vehículos exacerba la curva de pato. [81]
V2G-Sim informó que, suponiendo un servicio V2G diario de 7 p. m. a 9 p. m. a una velocidad de carga de 1,440 kW durante diez años, V2G tendría impactos menores en la degradación de la batería en los PEV en comparación con las pérdidas cíclicas y el envejecimiento calendario, siendo las pérdidas incrementales de capacidad del 2,68%, 2,66 %, y 2,62% respectivamente. [82]
En mayo de 2016, Nissan y la compañía eléctrica Enel anunciaron una prueba colaborativa de V2G en el Reino Unido. [83] En la prueba se utilizaron 100 unidades de carga V2G, incluidas furgonetas eléctricas Nissan Leaf y e-NV200.
WMG, la Universidad de Warwick y Jaguar Land Rover colaboraron con el grupo de Energía y Sistemas Eléctricos de la universidad. Analizaron los PEV disponibles comercialmente durante un período de dos años. Utilizando un modelo de degradación de la batería, descubrieron que, para patrones de conducción típicos, algunos patrones de almacenamiento V2G podían aumentar significativamente la longevidad de la batería en comparación con las estrategias de carga convencionales. [84]
Cuanto más se utiliza una batería, antes será necesario reemplazarla. En 2016, el costo de reemplazo era aproximadamente un tercio del costo del automóvil. [85] Las baterías se degradan con el uso. [86] JB Straubel , entonces director de tecnología de Tesla Inc , descartó el V2G, alegando que el desgaste de la batería supera el beneficio económico. [87] Un estudio de 2017 encontró una capacidad decreciente, [88] [89] y un estudio de vehículos eléctricos híbridos de 2012 encontró un beneficio menor. [90]
Un estudio de 2015 [91] encontró que los análisis económicos favorables a V2G no incluían muchos de los costos menos obvios asociados con su implementación. Cuando se incluyeron estos costos menos obvios, el estudio informó que V2G era una solución económicamente ineficiente.
Otra crítica común relacionada con la eficiencia es que el ciclo de entrada y salida de energía de una batería, que incluye "invertir" la energía de CC a CA, inevitablemente genera pérdidas de energía. Este ciclo de eficiencia energética puede compararse con la eficiencia del 70% al 80% de la hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo a gran escala . [92]
Las compañías eléctricas deben estar dispuestas a adoptar la tecnología para permitir que los vehículos aporten energía a la red eléctrica. [13] Para que los vehículos alimenten la red de forma rentable, los "medidores inteligentes" son esenciales. [14]
La eficiencia de la batería durante los testículos realizados en promedio es del 98 %.
La eficiencia de carga es del 97 al 99 por ciento
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