Vehículo a red ( 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 interrupción 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 la carga "fuera de la 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, debido a que los autos pasan la mayor parte del tiempo estacionados, 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 concluyó que los propietarios de vehículos podrían recibir pagos significativos al cargar sus vehículos eléctricos en horas de menor demanda, cuando la electricidad es más barata, almacenándola en la batería de su automóvil y vendiéndola nuevamente 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 la V2G puede reducir su longevidad. 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 edad, pero está mejorando a medida que avanza la tecnología. La mayoría de los estudios sobre los efectos de la V2G en la vida útil de la batería muestran que las tasas de descarga más lentas de la 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 suministrar 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 EV, algo que muchos PEV no están equipados para hacer. [7] A partir de 2024 [actualizar], la mayoría de los EV requieren un inversor separado del que se usa para alimentar los motores de propulsión para poder generar energía de CA desde la batería. La UV2G se puede ampliar limitando otras actividades como la calefacción y la refrigeración del aire. [8] [9]
El V2G comenzó como una carga de vehículo a vehículo (V2V), introducida por la empresa californiana AC Propulsion a principios de los años 1990. Su automóvil biplaza Tzero ofrecía carga bidireccional. [10] El V2G permite la carga y descarga entre el vehículo y la red eléctrica. [11]
Los vehículos V2G pueden proporcionar energía para ayudar a equilibrar las cargas de la red mediante el "relleno de valles" [12] (cargando por la noche cuando la demanda es baja) y el " afeitado de picos " (enviando energía a la red cuando la demanda es alta; consulte la curva de pato ). [13] La nivelación de carga máxima respalda los servicios de regulación (manteniendo estables el voltaje y la frecuencia) y proporciona reservas giratorias (para satisfacer demandas repentinas de energía). La combinación de estos servicios con "medidores inteligentes" permite el V2G. [14] El V2G podría amortiguar las fuentes de energía variables almacenando el exceso de energía y proporcionándolo a la red durante períodos de alta carga.
Se ha propuesto que las empresas de servicios públicos no tendrían que construir tantas plantas de energía a 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 en una base altamente local. [16]
Carbitrage, un acrónimo de "car" y " arbitraje ", se utiliza a veces 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 energética diaria promedio de un hogar y suministrar energía de emergencia a un hogar durante varios días, mediante la transmisión de vehículo a hogar (V2H).
Aunque el concepto de carga V2H es simple, para ponerlo en práctica se necesita un sistema tecnológicamente complejo. Las estaciones de carga deben integrar un 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]
La V1G implica variar el tiempo y la velocidad a la que se carga un vehículo eléctrico. También se conoce como servicios de carga gestionada unidireccional, V2G unidireccional o "carga inteligente". Los enfoques V1G incluyen la carga en el mediodía para absorber la energía solar que de otro modo se descartaría (desconexión de carga) y la variación de la velocidad de carga para proporcionar servicios de respuesta de frecuencia o equilibrio de carga. [ cita requerida ]
Vehículo-a-hogar (V2H), vehículo-a-carga (V2L), vehículo-a-vehículo (V2V), [21] y vehículo-a-edificio (V2B), a veces denominados colectivamente vehículo-a-todo (V2X), utilizan el vehículo para proporcionar energía durante un corte de energía o para desplazar la energía de la red con energía de posiblemente otras fuentes de energía almacenadas en la batería del vehículo. [22] La energía de la fuente 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 extraer energía de la red.
En 2022, la tecnología 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 previsión de la llegada de vehículos que admitan flujos de energía bidireccionales. [25]
En 2023, ya habían salido al mercado varios vehículos compatibles con la transferencia de energía V2X. El Ford F-150 Lightning admite 9,6 kW de potencia V2L o V2H. [26] Tesla comenzó a entregar un nuevo camión ligero , Cybertruck, que ofrece 11,5 kW de capacidad V2H o V2L. [21]
La V2G permite que los vehículos suministren electricidad a la red, y el operador de la empresa de servicios públicos o del sistema de transmisión paga la energía. [27] En muchas jurisdicciones, satisfacer la demanda de energía durante los períodos de demanda máxima 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]
La tecnología 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 y descarga pueden acortar la vida útil de la batería. En 2016, Southern California Edison llevó a cabo un proyecto V2G en California 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 en CC , con el transformador de una estación de carga conectado directamente a la batería del vehículo. Se está desarrollando tecnología para la carga bidireccional en CC hacia y desde la estación, sin necesidad de hardware adicional en el coche, ya que el convertidor de CC a CA está en la estación. En principio, los vehículos eléctricos sin soporte de hardware para V2G podrían obtener capacidad de bidireccionalidad 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 salud de la batería y la temperatura. [34] [35]
La mayoría de las pérdidas de energía se deben a componentes del sistema distintos de la batería, en particular a la electrónica de potencia, como los inversores. [36] Un estudio determinó que la eficiencia de ida y vuelta de los sistemas V2G oscilaba entre el 53 % y el 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 Estados Unidos (DOE), el uso creciente de vehículos eléctricos enchufables y otras tecnologías que dependen de la electricidad podría aumentar la presión sobre las redes eléctricas de Estados Unidos hasta en un 38% para 2050. Hacer frente a esta mayor 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] Usando el software V2G de Nuvve, [43] las baterías de los autobuses se agregan con otras en un distrito escolar cercano para formar un recurso participante bajo el Programa de Reducción de Carga de Emergencia ( ELRP ), [44] que fue iniciado en 2021 por la Comisión de Servicios Públicos de California . SDG&E, Pacific Gas and Electric y Southern California Edison para administrar el piloto.
En septiembre de 2022, se presentó en el Senado de Estados Unidos la Ley BIDIRECCIONAL, para “crear un programa dedicado a implementar autobuses escolares eléctricos con capacidad de flujo bidireccional de vehículo a 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 en Estados Unidos consumían 3200 millones de dólares de diésel al año. Su electrificación podría ayudar a estabilizar la red eléctrica, reducir la necesidad de centrales eléctricas y reducir la contaminación por gases y partículas y el dióxido de carbono 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 expandió 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 North America en Franklin, Tennessee . [51] En 2020, el sistema de carga de vehículos eléctricos bidireccional de Fermata Energy se convirtió en el primero en obtener la certificación según el estándar de seguridad norteamericano, UL 9741, el estándar para equipos de sistemas de carga de vehículos eléctricos (EV) bidireccionales. [52]
Japón planeaba gastar 71.100 millones de dólares para mejorar la infraestructura de la red eléctrica existente. [ cita requerida ] Los hogares japoneses promedio consumen entre 10 y 12 kWh/día. La capacidad de la batería de 24 kWh del Nissan Leaf podría proporcionar hasta dos días de energía. [ cita requerida ]
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. Se instalaron dos estaciones de carga bidireccionales, conectadas a un servidor de agregación V2G administrado por Nuvve Corporation, en un estacionamiento de la prefectura de Aichi . [53]
El Proyecto Edison pretende instalar suficientes turbinas para satisfacer el 50% de las necesidades energéticas totales de Dinamarca, utilizando al mismo tiempo V2G para proteger la red. El Proyecto Edison planea utilizar vehículos eléctricos de potencia mientras estén conectados a la red para almacenar energía eólica adicional que la red no pueda manejar. Durante las horas de mayor consumo de energía, o cuando el viento esté en calma, la energía almacenada en estos vehículos eléctricos de potencia se inyectará a la red. Para ayudar a la aceptación de los vehículos eléctricos de potencia, los vehículos de cero emisiones recibieron subsidios gubernamentales. [ cita requerida ]
Tras el proyecto Edison, se inició el proyecto Nikola [54] , que se centró en demostrar la tecnología V2G en un entorno de laboratorio en el campus de Risø de la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU). La DTU es socia 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 real. Este proyecto fue asociado con la 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 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]
El 29 de septiembre de 2022 Solaris inauguró un parque de carga en Bolechowo, Polonia, destinado a probar la carga y descarga de vehículos eléctricos. [60]
Desde 2020, el equipo Realising Electric Vehicle-to-grid Services (REVS) de la Universidad Nacional Australiana (ANU) ha estado estudiando la confiabilidad y viabilidad de V2G a escala, [61] dando origen a la iniciativa Battery Storage and Grid Integration Project [62] .
En 2022, el primer cargador V2G estuvo disponible para su compra en Australia, pero hubo demoras en su implementación debido a los procesos regulatorios, ya que cada autoridad eléctrica estatal debía certificarlos como compatibles (después de la aprobación del gobierno australiano). También hubo una aceptación limitada debido a los altos precios y a que muy pocos vehículos eléctricos recibieron la aprobación para usar V2G (en 2023, solo el Nissan Leaf EV y algunos vehículos eléctricos híbridos de Mitsubishi). Esta implementación se produce después de que los investigadores de la ANU elaboraran una revisión exhaustiva de los proyectos internacionales de 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 era generar una solución esencial para el mercado energético alemán: la energía eólica del norte del país se utiliza para cargar los vehículos eléctricos mientras que estos abastecen la red durante los picos de demanda, reduciendo el uso de combustibles fósiles. El proyecto utilizó diez estaciones de carga de vehículos. Las medidas de redistribución inteligente de energía se controlaron mediante software. Los resultados mostraron que la electromovilidad se puede utilizar para controlar de forma 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 financiado parcialmente por el estado en la isla de Bornholm en el este de Dinamarca. El consorcio incluyó a IBM , Siemens , el desarrollador de hardware y software EURISCO, la empresa energética más grande de Dinamarca, Ørsted (anteriormente DONG Energy), la empresa energética regional Østkraft, la Universidad Técnica de Dinamarca y la Asociación Danesa de Energía. Exploró cómo equilibrar las cargas eléctricas impredecibles generadas por los parques eólicos de Dinamarca, que entonces generan 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] Al menos un Toyota Scion reconstruido con capacidad V2G se utilizará en el proyecto. [66] El proyecto fue importante en los esfuerzos de Dinamarca por expandir su generación de energía eólica al 50% para 2020. [67] Según una fuente del periódico británico The Guardian , "nunca antes se había intentado a esta escala". [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 ( kilovatios-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 Consejo de Confiabilidad Eléctrica de Texas (ERCOT). El sistema permite que los propietarios de flotas de camiones de reparto eléctricos participen. Cuando la frecuencia de la red cae por debajo de los 60 hercios, el sistema suspende la carga del vehículo, eliminando esa carga de la red y permitiendo que la frecuencia aumente hasta alcanzar 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 la Confiabilidad y Seguridad Energética (SPIDERS), dirigido por Burns and McDonnell Engineering Company, Inc. [72] En noviembre de 2012, SwRI recibió un contrato de 7 millones de dólares del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU. para demostrar V2G. [73] En 2013, los investigadores de 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 , realizaron 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 de transporte y energía integrados 100% renovables, utilizando hidrógeno y electricidad como portadores de energía. [75] Se modificó un Hyundai ix35 FCEV para entregar hasta 10 kW de potencia de CC [3] mientras mantenía la preparación para la carretera. Con Accenda desarrollaron una unidad V2G que convierte la potencia de CC del vehículo en potencia de CA trifásica y la inyecta a la red. [3] El Future Energy Systems Group probó si los FCEV podrían ofrecer reservas de frecuencia. [76]
Kempton, Advani y Prasad llevaron a cabo una investigación sobre 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 vehicular y la empresa de servicios públicos EnBW proporcionando experiencia en redes. [78] Otros investigadores son Pacific Gas and Electric Company , Xcel Energy , el Laboratorio Nacional de Energías Renovables y, en el Reino Unido , la Universidad de Warwick . [79]
En 2010, Kempton y Poilasne cofundaron Nuvve, una empresa de soluciones V2G. La empresa estableció alianzas industriales e implementó proyectos piloto V2G en cinco continentes. [49] [80]
El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley desarrolló V2G-Sim, una plataforma de simulación que se utiliza para modelar el comportamiento espacial y temporal de la conducción y la carga de los vehículos eléctricos individuales en la red. Sus modelos investigan los desafíos y las 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 de llenado de valles para equilibrar la carga eléctrica diaria y mitigar la curva de pato. Se demostró que la carga de vehículos no controlada exacerba la curva de pato. [81]
V2G-Sim informó que, asumiendo un servicio V2G diario de 7:00 p. m. a 9:00 p. m. a una tasa de carga de 1,440 kW durante diez años, V2G tendría impactos menores en la degradación de la batería de los PEV en comparación con las pérdidas cíclicas y el envejecimiento del calendario, siendo las pérdidas de capacidad incrementales del 2,68 %, 2,66 % y 2,62 % respectivamente. [82]
En mayo de 2016, la compañía eléctrica Nissan y Enel anunciaron una prueba colaborativa V2G en el Reino Unido. [83] La prueba utilizó 100 unidades de carga V2G, incluidas las 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 vehículos eléctricos de potencia 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 hay que sustituirla. En 2016, el coste de sustitución era aproximadamente un tercio del coste del coche. [85] Las baterías se degradan con el uso. [86] JB Straubel , entonces director de tecnología de Tesla Inc. , descartó la V2G, alegando que el desgaste de la batería supera el beneficio económico. [87] Un estudio de 2017 encontró una disminución de la capacidad, [88] [89] y un estudio de 2012 sobre vehículos eléctricos híbridos encontró un beneficio menor. [90]
Un estudio de 2015 [91] concluyó que los análisis económicos favorables a la V2G no incluían muchos de los costos menos obvios asociados con su implementación. Cuando se incluyeron estos costos menos obvios, el estudio informó que la 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 la "inversión" de la energía de CC a CA, inevitablemente genera pérdidas de energía. Este ciclo de eficiencia energética puede compararse con la eficiencia del 70-80% de la energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo a gran escala . [92]
Las compañías eléctricas deben estar dispuestas a adoptar la tecnología para permitir que los vehículos suministren energía a la red eléctrica. [13] Para que los vehículos suministren energía a la red de manera rentable, los "medidores inteligentes" son esenciales. [14]
La eficiencia de la batería durante las pruebas realizadas en promedio es del 98 %.
La eficiencia de carga es del 97 al 99 por ciento.
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