Cada día que pasa es más claro para todos que la transición del sector de movilidad es una necesidad y prioridad a nivel mundial, incluyendo a Colombia, como consecuencia del alto costo de los combustibles fósiles, las políticas geo energéticas, la futura escases de combustibles y el cambio climático.
Pero dentro de los retos que nos trae la transición energética de la electromovilidad, está el lograr atender, mediante las redes eléctricas de las ciudades, las nuevas demandas de potencia y energía que conllevan las estaciones de cargas para los buses y los autos eléctricos, y para lograrlo, debemos ser estratégicos y eficientes desde lo técnico y económico para hacer un uso ideal de los sistemas de electromovilidad.
Debemos ser conscientes que un auto eléctrico puede demandar el equivalente a la potencia de una o dos casas (en carga lenta), y si pensamos en un depósito de buses [1] es posible que este demande 20 MVA, lo que actualmente demanda el depósito de buses eléctricos más grande de Latinoamérica, Fanalca-Transdev, ubicado en la cuidad de Bogotá, Colombia, o el equivalente a la demanda de energía de una ciudad de 25.000 habitantes.
¿Esto qué significa? Que la demanda eléctrica de una ciudad se puede duplicar o triplicar en cuestión de unos años como consecuencia de la incorporación de la electromovilidad, por lo que debemos realizar cambios importantes que mitiguen la sobrecarga en las redes eléctricas.
Por ejemplo, analicemos cómo es el proceso de carga de un bus eléctrico y qué oportunidades encontramos que pueden impactar de manera positiva la red eléctrica. Primero debemos entender que el proceso de carga de los buses eléctricos es muy similar al proceso de carga de un bus diésel, solo que, en vez de llenar un tanque con diésel, se recarga energía eléctrica en baterías que impulsan el bus eléctrico y hace que el bus avance.
Este proceso se logra mediante un cargador eléctrico que transforma la energía de la red a las condiciones idóneas que requiere un bus eléctrico, asegurando que cumpla con los protocolos de seguridad necesarios para garantizar el correcto funcionamiento y seguridad de las personas y bienes involucrados.
En la actualidad existen dos tipos de cargadores para buses, los cargadores secuenciales y los paralelos, y en Latinoamérica se ha empleado mayoritariamente la carga paralela, por lo que es importante entender qué impacto tiene la carga paralela y cómo la carga secuencial puede generar diversos beneficios.
¿Cómo funciona la carga paralela y la carga secuencial?
La carga paralela implica que la potencia total del cargador se divide para cargar dos buses, es decir, se cargan dos buses de manera simultánea pero con la mitad de la potencia del cargador y al finalizar, ambos buses estarán completamente cargados al mismo tiempo. Pensemos en un simple escenario para entenderlo mejor, si consideramos una carga de baterías lineal [2], teniendo en cuenta que un bus necesita 300 KWH para su carga y además, que empleamos un cargador de carga paralela de 150 KW, al dividir la potencia del cargador en dos buses, cada bus tomará 75 KW, lo que implicará que parar lograr los 300 KWH, tomará 4 horas en cargar los dos buses. (Ver Gráfica 1)
Por otro lado, con la carga secuencial se aplica la potencia completa del cargador a un bus y una vez el primer bus esté cargado, se pasará al segundo, nuevamente con la potencia total. En este nuevo escenario, el primer bus de 300 KWH recibirá los 150 KW del cargador, por lo que, considerando la carga lineal el primer bus se cargará en 2 horas, y una vez cargado el primer bus, pasará al segundo aplicando nuevamente los 150 KW a la batería de 300 KWH. Esto significa que el primer bus estará cargado a las 2 horas y el segundo a las 4 horas. (Ver Gráfica 2)
¿Qué podemos deducir de esto? La primera ventaja de la carga secuencial vs la paralela es que en la mitad del tiempo se podría tener la mitad de la flota de buses lista para salir a prestar servicio y esto acoplado a la operación, tendrá un impacto positivo en productividad.
Por otro lado, la carga secuencial no solo se limita a tener dos buses en secuencia, la tecnología de cargadores SICHARGE UC SIEMENS permite tener hasta 5 buses en secuencia, lo que conlleva beneficios adicionales de reducción de potencia, tal como lo podemos ver en la siguiente tabla comparativa entre la carga paralela y secuencial con 3, 4 y 5 buses.
Para entender mejor la tabla anterior, partamos siguiendo el ejemplo de los buses de 300KWH y los cargadores de 150KW. Para un depósito de 100 buses, con carga paralela, la potencia del depósito sería de 7.500KW y el tiempo de carga de los buses sería de 4 horas. Mientras que, en la carga secuencial de 2, se tendría la misma demanda de potencia de red de 7.500 KW, pero en 2 horas se tendría la mitad de los buses del depósito cargados y en 4 horas la otra mitad.
En el caso de la carga secuencial de 3, una potencia baja de 7.500 KW a 5.100KW y, el tiempo de recarga se reparte en el primer tercio de los buses durante 2 horas, el segundo tercio en 4 horas y el tercer tercio en 6 horas.
En secuencial de 4, se pasa a una potencia de 3.750 KW y un cuarto de la flota estará cargada en 2 horas, el segundo cuarto en 4 horas, el tercer cuarto en 6 horas y el último cuarto en 8 horas.
En secuencial de 5, se pasa a una potencia de 3.000 KW y una quinta parte de la flota estará cargada en 2 horas, el segundo quinto en 4 horas, el tercer quinto en 6 horas, el cuarto quinto en 8 horas y finalmente el último quinto en 10 horas.
Es decir, que con la carga secuencial no sólo se podría requerir 2,5 veces menos potencia que la carga paralela, también es posible sacar una ventaja económica de la carga secuencial si se logra conseguir un balance con la operación de los buses, entendiendo que mientras unos se cargan, otros podrían estar operando.
Debido a la reducción de potencia requerida por la carga secuencial, hay más aspectos que se ven favorecidos, asociados al CAPEX [3] está la reducción de costos de transformadores, grupos electrógenos de respaldo, cables, ductos de barras e infraestructura de conexión a la red; y asociados al OPEX [4] están los cargos por demanda máxima, contrato de respaldo y contrato del punto de conexión a la red.
Adicional, el esquema de carga secuencial requiere una menor capacidad de las redes de distribución en baja tensión, lo que conlleva directamente a una ventaja económica. En el siguiente gráfico, por ejemplo, podemos ver una distribución de 45 buses, en carga paralela vs secuencial.
Depósito con carga paralela
Para alimentar 45 buses se requieren 23 cargadores y debido a la distribución física, se requiere una red de 5 mts por bus, es decir 45 x 5mts = 225 mts de ductos de barra que valen 3.500 EUR/m para un total de 787.500 EUR.
Depósito con carga secuencial con 4 conectores
Para la carga secuencial de 4 puntos de carga, se requieren 12 cargadores, cada uno con 4 puntos de carga. Esto significa que se requiere un tramo de 60 metros (12x5mts) de ductos a 3.500 EUR/m, para un valor de 210.000 EUR. Adicionalmente se requieren 40 metros de 5 cables que alimenten los 4 puntos de carga por cada cargador y esto equivale a 35 EUR/m, es decir 40 x 5 x 12 x 35 EUR/m= 84.000 EUR. Para un total de 294.000 EUR.
De lo anterior, tenemos que para cables y ductos en la carga paralela se necesitan 787.500 EUR, mientras que en la carga secuencial 294.000 EUR, una reducción del 62,6% de los costos.
En conclusión, si tomamos como ejemplo Bogotá y consideramos que el sistema de Transmilenio [5] cuenta con 2.364 buses en las troncales y 7.048 buses zonales, para un total de 9.412 buses y hacemos un cálculo considerando cargadores de 150 KW en carga paralela, la potencia total requerida puede llegar 705.9 MW adicionales. Mientras que el impacto de colocar en esquema de carga secuencial de 4 (9.412 Buses /4 x 150 KW =372,9 MVA), la potencia que se ahorraría Bogotá por la carga secuencial sería de 333 MVA.
Desde el punto de vista de la infraestructura, si por cada 45 buses se ahorran 493.5 mil EUR solo considerando cables y ductos, tendríamos que (9412/45 x 493,5mil
EUR) el ahorro de los inversionistas podría llegar hasta los 103 millones de euros en costos de infraestructura.
En consecuencia, la carga secuencial es un beneficio para las ciudades tanto como para las empresas que planean desarrollar la transformación energética del sector transporte, ya que reduce entre 30% hasta un 60% la potencia requerida para atender la electromovilidad, inversión que podría ser empleada para otros fines importantes.
Autor:
Andrés Daboin
Responsable Técnico del Negocio de Electromovilidad
Referencias
[1] Los depósitos de buses son los parqueaderos de buses donde se prestan servicios de mantenimiento y recarga de gasolina y/o electricidad
[2] Carga lineal: durante el ciclo de carga no cambia el voltaje aplicado, desde el inicio hasta el fin de la carga, el proceso se hace con la misma velocidad de carga. Sin embargo, la realidad es que la carga de las baterías no se realiza de forma lineal, ya que el último 20% de las baterías se realiza de forma más lenta para mejorar la vida útil de las baterías.
[3] CAPEX: Capital expenditures (del inglés) o costos iniciales del proyecto.
[4] OPEX: Operational expenditures (del inglés) o costos operacionales del proyecto.
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