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¿Qué es una electrolinera? El futuro del vehículo eléctrico

Signo europeo de electrolinera22-03-2011. Con la llegada de los automóviles eléctricos, llegan también las estaciones de servicio con dispensadores de energía para recargar las baterías de estos nuevos vehículos. Para referirse a ellas inicialmente se las han denominado como estación de carga o estación de carga eléctrica aunque en los últimos tiempos comienza a emplearse la palabra electrolinera.

La palabra electrolinera surge de los términos eléctrica y gasolinera y constituye un neologismo para denominar a las estaciones de servicio que dispensan energía para recargar las baterías de los automóviles eléctricos.

Hoy en día el desarrollo de estas instalaciones está dividido en dos conceptos diferentes: los sistemas de recarga de baterías y los sistemas de cambio de batería.

Sistemas de recarga de baterías

Estaciones en las que el vehículo se conecta directamente a la red eléctrica (vehículos enchufables).

Estos sistemas tienen todavía que superar grandes problemas como son el tiempo de recarga, que con las infraestructuras eléctricas actuales puede llevar varias horas y la estandarización de los mismos, ya que serán necesario que los sistemas empleados por toda la industria sean compatibles.

Tiempos de recarga

Una electrolinera relativamente sencilla con 3,6 kilovatios de potencia (230 voltios a 16 amperios) requiere varias horas para recargar completamente un vehículo eléctrico. Por ejemplo, el Nissan Leaf, con una batería de 24 kilovatios-hora tardará aproximadamente 7 horas en recargar.Electrolinera instalada en Madrid por Ciete S.A. 3,6 kW

Sin embargo, debe tenerse en cuenta que la mayoría de los usuarios recargarán todos los días, por lo que raramente necesitarán recargar totalmente la batería. Así pues, 3,6 kilovatios de carga pueden ser suficientes para recargar un vehículo aparcado en el hogar o el trabajo, pero nunca para “repostar” en medio de un viaje.

Salvando las limitaciones impuestas por la gestión electrónica de la potencia de recarga y de la química de la batería, la mayor potencia de recarga de una electrolinera puede reducir estos tiempos de manera significativa. Actualmente empresas en todo el mundo están desarrollando sistemas en base al estándar internacional sobre conectores eléctricos y modos de recarga, IEC 62196, desarrollado por la International Electrotechnical Commission (IEC):

  • El conector SAE J1772-2009, puede suministrar 16,8 kW (240V, 70A)
  • VDE-AR-E 2623-2-2, desarrollado en Alemania por la empresa Mennekes proporciona hasta 43,5 kW (400V, 63A, de tres fases)
  • CHAdeMo, “Charge de move” (carga para moverse), es un estándar de carga rápida que puede suministrar hasta 62,5 kW (500 V DC, 125)

Este último sistema podría reducir el tiempo de recarga del Nissan Leaf en un 80%, dejándolo en aproximadamente 30 minutos.

Pero estos sistemas deben seguir desarrollándose, ya que es comúnmente aceptado en la industria que para que un usuario medio pueda aceptar realizar un repostaje en mitad de un trayecto éste debe poder realizarse en menos de 10 minutos, son los llamados “sistemas de recarga rápida”.

Aspectos técnicos

Una consecuencia directa de la implementación de electrolineras de recarga rápida es la necesidad de una infraestructura eléctrica capaz de suministrar las potencias demandadas ya que la carga rápida requiere un servicio eléctrico de tipo industrial.

El ejemplo siguiente ilustra las necesidades de potencia para un vehículo eléctrico tipo:

Batería del vehículo: 50 kWh
Eficiencia del cargador: 100%
Tiempo de recarga: 10 min (carga rápida)
% de recarga: 70 % (del 10% al 80%)

Con estos datos, la potencia requerida por la red es de (0,7 x 50) / (10 / 60) = 210 kW.

A modo de comparación, se estima que la potencia media contratada por hogar en España es de 4,4 kW, por lo que 210 kW equivalen a la potencia de unos 50 hogares.

Una electrolinera diseñada para la carga rápida de varios vehículos a la vez, similares a las estaciones de servicio de hidrocarburos actuales, puede requerir picos de potencia del orden de varios megavatios.

En la práctica, la eficiencia energética de una carga rápida de menos de diez minutos es probable que se reduzca significativamente debido a las pérdidas resistivas o pérdidas óhmicas causadas por las altas corrientes requeridas en el interior del vehículo. La energía perdida se convierte directamente en calor, lo que podría perjudicar a la propia batería y a los equipos electrónicos del vehículo por lo que sería necesaria una potencia eléctrica adicional para refrigerar el equipo. El más que probable futuro aumento de la capacidad de las baterías requerirá un aumento de la potencia de carga, de la corriente y de las pérdidas en forma de calor de forma lineal por lo que la carga rápida requerirá nuevas innovaciones conforme se desarrollen vehículos con mayor autonomía.

Las altas potencias requeridas por los sistemas de recarga rápida también pueden suponer un problema para la red eléctrica pudiendo provocar bajadas de tensión o incluso apagones durante las horas punta si demasiados vehículos deciden cargar al mismo tiempo. Para tratar de optimizar la red se puede incentivar la recarga de vehículos en horas valle mediante tarifas eléctricas reducidas. Otra solución es el empleo de sistemas de almacenamiento de energía que permitan reducir la diferencia entre la demanda de la estación de recarga y la red eléctrica, aunque esto supondría una reducción de la eficiencia del sistema debido a las inevitables pérdidas de carga. Otra posibilidad es la generación in-situ, bajo demanda, de potencia eléctrica.

Comunicación Vehicle-to-grid (V2G)

La recarga de las baterías de los vehículos eléctricos suponen una gran carga para las redes eléctricas por lo que se hace necesario que, para mitigar esta carga, se trasladen estas demandas a las horas valle de consumo. Con el fin de poder programar estas recargas, ya sea la estación de recarga o el vehículo, deben comunicarse con la “red inteligente”. Estos sistemas, denominados Vehicle-to-grid (V2G) permitirán a los vehículos recargar en horas valle y vender la electricidad a la red en horas punta.

Estandarización en Europa

El 29 de junio de 2010 las organizaciones de normalización europeas, CEN, CENELEC y ETSI recibieron el mandato M-468 de la Comisión Europea para que elaboren un sistema común de carga para el vehículo eléctrico.

A raíz de este mandato se ha formado un grupo de trabajo con los siguientes objetivos:

  • Asegurar la interoperabilidad entre los cargadores y la red en los países miembros.
  • Asegurar la interoperabilidad entre los cargadores y los vehículos.
  • Considerar las posibilidades de carga inteligente de los vehículos eléctricos (V2G)
  • Garantizar la seguridad para el usuario y la compatibilidad electromagnética.

De acuerdo a los términos del mandato, en marzo de 2011 debería haberse presentado ya un informe preliminar.

Sistemas de cambio de batería

Son estaciones de servicio en las que los vehículos eléctricos pueden cambiar las baterías. El objetivo es que el conductor no tenga que bajarse siquiera del vehículo y que todo el proceso dure menos de lo que dura actualmente un repostaje tradicional.

Estas estaciones pretenden completar las necesidades de abastecimiento de los coches eléctricos para largas distancias.

La idea de estas electrolineras es que un dispositivo robotizado cambie enteramente la batería del vehículo por otra cargada. El proceso consiste en entrar en un riel tipo lavado de autos que nos sitúa sobre un mecanismo que extrae la batería que se encuentra por debajo del auto y posteriormente monta la nueva para salir finalmente por una rampa. El cliente sigue su viaje conociendo en cualquier momento la autonomía del vehículo. La estación conecta a la red la batería descargada para volverla a llenar de electricidad y ponerla a disposición del próximo cliente. En ningún momento hay flujo de corriente eléctrica hacia el coche. Se pretende que toda la infraestructura necesaria para el funcionamiento de una estación de cambio automático de baterías se instale bajo tierra, dejando la superficie únicamente para el acceso de los vehículos.

El mayor problema de este sistema es la estandarización ya que los fabricantes tendrían que homologar sus baterías y sistemas de acople a los vehículos para que cualquiera pueda conectarse.

Sustitución del electrolito

Una variante de este tipo de sistemas lo constituye la última generación de baterías redox de vanadio. Estas baterías tienen una densidad de energía similar a las baterías de plomo-ácido. Sin embargo, la carga es almacenada únicamente en un electrolito líquido con base de vanadio que puede ser bombeado y sustituido por electrolito cargado.

Este sistema de baterías de vanadio puede ser una tecnología apta para estaciones de carga rápida de vehículos eléctricos debido a su alta densidad de potencia y resistencia en el uso diario. Su principal inconveniente es su precio, ya que las baterías de vanadio cuestan actualmente entre 350 y 600 $/kWh.

Autor:César García Villalonga. Ing. de Caminos Canales y Puertos

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