Como reducir el impacto en la demanda de potencia dentro y fuera de los depósitos de Buses eléctricos
Andrés Daboin Yumar
Bogotá DC a los 23 Jun 2022
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 20MVA, 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 gasolina, se recarga
energía eléctrica en baterías que impulsan el bus motor 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 mejora este escenario.
¿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
300KWH para su carga y además, que empleamos un cargador de carga paralela de
150KW, al dividir la potencia del cargador en dos buses, cada bus tomará 75KW,
lo que implicará que parar lograr los 300KWH, tomará 4 horas en cargar los dos
buses. (Ver Gráfica 1)
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 como podemos ver en la siguiente tabla
comparativa entre la carga paralela y secuencial de 3, 4 y 5 buses.
|
|
Paralela |
Secuencial |
|
||
|
EBUS/CHARGER |
2 |
3 |
4 |
5 |
Units |
|
Chargers/100 Ebus |
50 |
34 |
25 |
20 |
|
|
Charger Power |
150 |
150 |
150 |
150 |
KW |
|
Total Depot Power |
7.500 |
5.100 |
3.750 |
3.000 |
KW |
|
Dif % |
0% |
-32% |
-50% |
-60% |
|
Para entender mejor 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 4to 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 ultimo quinto en 10
horas.
[RJLF(CS1] 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.
En otros aspectos que también se ven
favorecidos está la reducción de potencia requerida por la carga secuencial;
asociados al CAPEX [3] está la reducción de transformadores, los grupos electrógenos de
respaldo, los 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.
Por otro lado, 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. Por ejemplo, en
el siguiente gráfico podemos ver una distribución de 45 buses en carga paralela
vs secuencial.
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.
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 para la carga paralela se necesitan 787.500 EUR, mientras que
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 150KW en carga
paralela, la potencia total requerida puede llegar 705.9MW adicionales.
Mientras que el impacto de colocar en esquema de carga secuencial de 4 (9.412
Buses /4 x 150KW=372,9MVA), la potencia que se ahorraría Bogotá por la
carga secuencial sería de 333MVA.
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. Por otro lado, el
desarrollo de la electromovilidad también nos exige que seamos eficientes con
las infraestructuras existentes, y en este sentido incluso podríamos aprovechar
sistemas eléctricos ociosos para atender parte de la electromovilidad necesaria
en las ciudades.
[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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