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Título del Proyecto: Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. Autor: José María González Gutiérrez; Director: Mario Maza Frechín; Escuela de Ingeniería y Arquitectura; Año: 2011; PROYECTO FIN DE CARRERA Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 1 Proyecto Fin de Carrera RESUMEN El presente proyecto tiene como finalidad el estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía. El proyecto parte de la necesidad de realizar un estudio de los sistemas de recarga en vehículos eléctricos, para ello se realiza un análisis del consumo energético de los vehículos basándonos en los ciclos de conducción, un análisis de los modos y sistemas de carga de los vehículos y un estudio de potencias, consumos y capacidades de las principales baterías existentes en el mercado para este tipo de vehículos. Para obtener la energía necesaria para la recarga de los vehículos se instala en el edificio de estudio situado en Zaragoza dos sistemas autónomos de generación de energía: una instalación fotovoltaica y una instalación conjunta de 4 mini-eólicos, realizando el cálculo y dimensionamiento de los sistemas generadores. En el proyecto se realiza un balance energético global del edificio teniendo en cuenta el consumo necesario para el transporte vertical de las personas en el edificio, el consumo de las viviendas y el necesario para la recarga de los vehículos. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 2 Proyecto Fin de Carrera TABLA DE CONTENIDOS TABLA DE CONTENIDOS ......................................................................................................... 2 INDICE DE FIGURAS ................................................................................................................. 4 INDICE DE TABLAS .................................................................................................................. 5 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS .......................................................................................... 6 1.1.- Objetivos ........................................................................................................................... 7 2. VEHÍCULO ELÉCTRICO ....................................................................................................... 8 2.1.-Introducción ....................................................................................................................... 8 2.2.-Tipos de vehículos eléctricos ............................................................................................. 8 2.2.1.-Electrificación del Vehículo eléctrico ......................................................................... 9 2.2.2.-Vehículos híbridos eléctricos enchufables y vehículos eléctricos “puros” ............... 11 2.3.-Baterías ............................................................................................................................ 14 2.3.1.- Tipos de baterías ...................................................................................................... 15 2.3.2.- Modo de repostaje de energía eléctrica .................................................................... 16 2.3.3.- Lugares para realizar el repostaje ............................................................................. 19 2.3.4.-Tiempo de recarga e impacto en la red ..................................................................... 20 3. -CONSUMO ELÉCTRICO DE VEHÍCULOS ELÉCTRICOS E HÍBRIDOS ...................... 23 3.1.-Introducción ..................................................................................................................... 23 3.2.-Ciclo Europa .................................................................................................................... 23 3.2.1.- Descripción del ciclo NEDC .................................................................................... 24 3.3.- Estimación del Consumo. ............................................................................................... 25 4.-SISTEMAS AUTÓNOMOS DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ......................................... 26 4.1.-Introducción ..................................................................................................................... 26 4.2.-Energía eléctrica producida por la instalación fotovoltaica ............................................. 26 4.2.1.-Emplazamiento ......................................................................................................... 26 4.3.-Energía eléctrica producida por la instalación mini-eólica ............................................. 31 5.- CONSUMO ELÉCTRICO TRANSPORTE VERTICAL ..................................................... 34 6.-BALANCE ENERGÉTICO DEL EDIFICIO ......................................................................... 36 6.1.- Introducción .................................................................................................................... 36 6.2.- Producción de energía ..................................................................................................... 36 6.3.-Consumo de energía ......................................................................................................... 36 6.4.- Balance económico ......................................................................................................... 37 Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 3 Proyecto Fin de Carrera 6.5.- Emisiones de CO2 ........................................................................................................... 39 7.- CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS DE TRABAJO .................................................. 41 7.1.- Conclusiones ................................................................................................................... 41 7.2.- Líneas Futuras ................................................................................................................. 42 ANEXOS..................................................................................................................................... 43 ANEXO A: SISTEMA CONDUCTIVO DE CARGA PARA VEHÍCULOS ELECTRICOS. REVISIÓN DE LA NORMA UNE-EN 61851. .......................................................................... 44 ANEXO B: ESTACIONES DE RECARGA PARA VEHÍCULOS ELÉCTRICOS E HÍBRIDOS ..................................................................................................................................................... 52 ANEXO C: BATERÍAS.............................................................................................................. 66 ANEXO D: CICLOS DE CONDUCCIÓN ................................................................................. 81 ANEXO E: PROYECTO MOVELE ........................................................................................... 93 ANEXO F: FICHA TÉCNICA VEHÍCULOS .......................................................................... 104 ANEXO G: PLAN NACIONAL DE ENERGÍAS RENOVABLES (PANER) ....................... 115 ANEXO H: ENERGÍA FOTOVOLTAICA ............................................................................. 120 ANEXO I: ENERGÍA EÓLICA ............................................................................................... 151 ANEXO J: CATÁLOGO FOTOVOLTAICA .......................................................................... 184 ANEXO K: CATÁLOGO MINI-EÓLICA ............................................................................... 188 ANEXO L: CATÁLOGO ASCENSORES ............................................................................... 192 BIBLIOGRAFÍA: ..................................................................................................................... 196 Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 4 Proyecto Fin de Carrera INDICE DE FIGURAS Figura 1:Diagrama Sankey de la energía en España [MITyC] ...................................................... 6 Figura 2; Arquitecturas de los VEH. (a) Serie, tracción eléctrica. (b) Paralelo, mayoritariamente tracción térmica. (c) Serie-paralelo, tracción mixta (d) Complejo, tracción mixta. .................... 10 Figura 3; Hoja de ruta VE. .......................................................................................................... 11 Figura 4; Configuración moderna de un VE puro. ...................................................................... 12 Figura 5; Distribución del tren de potencia eléctrico en los Ves “puros”. .................................. 13 Figura 6, Ejemplo de situaciones de carga en C.A. y en C.C.[ IEC 61851-1] ............................ 18 Figura 7; Recarga estándar en horas valle. Fuente REE. ............................................................ 21 Figura 8; Recarga semi-rápida en hora pico. Fuente REE. ......................................................... 22 Figura 9; Recarga semi-rápida en horas valle. Fuente REE. ....................................................... 22 Figura 10; Curva de carga deseable en la integración del VE. Fuente:REE. .............................. 22 Figura 11; Ciclo referencia para la homologación de consumos. ............................................... 23 Figura 12; Parte urbana ciclo NEDC. .......................................................................................... 24 Figura 13; Parte extraurbana del ciclo Europa. ........................................................................... 24 Figura 14; Emplazamiento del edificio de estudio. ..................................................................... 26 Figura 15; Planta del edificio de estudio. .................................................................................... 27 Figura 16; Azimut e inclinación de una superficie receptora. .............................................. 28 Figura 17; Evolución de la energía a lo largo del año. ................................................................ 29 Figura 18; Evolución de la irradiación a lo largo del año. .......................................................... 29 Figura 19; Roseta de los vientos; ................................................................................................ 31 Figura 20; Curva de potencia del aerogenerador. ........................................................................ 32 Figura 21; Mezcla de producción sistema eléctrico español. ...................................................... 40 Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 5 Proyecto Fin de Carrera INDICE DE TABLAS Tabla 1; diferencias entre los VEHEs y los VEs ......................................................................... 14 Tabla 2, Clasificación de las baterías recargables. ...................................................................... 15 Tabla 3; Tipos de carga. Fuente: Proyecto Verde. ...................................................................... 20 Tabla 4; Radiación y Energía media recibida. ............................................................................ 28 Tabla 5; Características técnicas del panel. ................................................................................. 30 Tabla 6; Datos de velocidad y porcentaje de viento. ................................................................... 31 Tabla 7; Características de los ascensores NTE-ITA. ................................................................. 34 Tabla 8; Factores de emisión de CO2. Fuente REE. .................................................................... 40 Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 6 Proyecto Fin de Carrera 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS En estos momentos la energía es la base del desarrollo, crecimiento y bienestar de la sociedad moderna, y nuestra comunidad se enfrenta al reto de buscar cada vez métodos más eficientes de producción y que a su vez sean responsables con el entorno que nos rodea. El aumento de la población mundial ha producido que el nivel de demanda de combustibles fósiles esté por encima de la regeneración de este combustible, lo que nos lleva a un ciclo insostenible. En particular en nuestro país existe una fuerte dependencia al no producir combustibles fósiles ya que alrededor del 80 % de la energía primaria proviene de estos combustibles y el 47, 9 % de esta energía primaria proviene del petróleo como se aprecia en la siguiente figura 1. Figura 1: Diagrama Sankey de la energía en España [1] En la figura 1, observamos como el sector del transporte es el que más energía primaria consume en forma de petróleo, lo que provoca una gran dependencia energética de nuestro país y un bajo índice de autoabastecimiento. Además de tener una repercusión directa en la producción de CO2, causante del efecto invernadero y responsable del calentamiento global de la atmosfera. Como resultado, surge la necesidad de investigar y desarrollar tecnologías alternativas que utilicen otro tipo de energías para implementar en el sector del transporte. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 7 Proyecto Fin de Carrera La tecnología que ha tenido más aceptación por parte de los fabricantes de automóviles y la administración, tanto a nivel nacional como internacional, ha sido el desarrollo de los vehículos eléctricos. Este desarrollo nos permitiría reducir la dependencia energética del petróleo de nuestro país, reducir las emisiones de CO2 en el sector del transporte y favorecer la penetración de las energías renovables. 1.1.- Objetivos El principal objetivo de este proyecto es realizar un estudio sobre la recarga de los vehículos eléctrico e híbridos, para ello realizaremos el estudio de un edificio energéticamente eficiente situado en la localidad de Zaragoza cuyos sistemas autónomos de producción de energía abastecen tanto el consumo de las familias como el transporte vertical y la recarga de las baterías de los vehículos. En el capítulo 2 se describirán este tipo de vehículos y sus principales elementos, además de los diferentes modos y tiempos de carga. En el capítulo 3 se calculará la demanda energética de los vehículos existentes dentro del edificio, utilizando para ello un análisis de los ciclos de conducción, en particular el ciclo Europeo NEDC. En el capítulo 4 realizaremos el dimensionamiento y cálculo de los sistemas autónomos de producción de energía instalados en el edificio energéticamente eficiente. En el capítulo 5 se realizará el cálculo de la demanda energética anual para realizar el transporte vertical de las personas dentro del edificio. En el capítulo 6 se desarrollará el balance global del edificio. Por último, se expondrán las diferentes conclusiones a las que se ha llegado con el estudio de este proyecto, además de las posibles líneas futuras que se puedan desarrollar. En lo referente a anexos, es preciso mencionar que a lo largo de este proyecto es necesario recurrir a ellos ya que explican y apoyan las partes de la memoria. Todos ellos están presentados por orden al final de la memoria. La bibliografía se encuentra en la última página del proyecto. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 8 Proyecto Fin de Carrera 2. VEHÍCULO ELÉCTRICO 2.1.-Introducción El paso de los vehículos térmicos convencionales hacia los vehículos eléctricos “puros” no es un camino fácil de recorrer, especialmente porque hay que resolver el problema de la autonomía de estos vehículos investigando en el desarrollo de baterías que doten al vehículo eléctrico de una mayor autonomía y flexibilidad con respecto a los actuales y así poder equipararse a las características técnicas de los vehículos térmicos. Esta limitación, junto con las barreras legales y sociales, ha provocado que los grandes fabricantes y demás agentes involucrados, piensen en tecnologías transitorias que vayan desarrollando los diferentes aspectos, con tal de que en un futuro se pueda implementar el vehículo eléctrico “puro”. A continuación se muestra un resumen de la transición de las diferentes tecnologías que utilizan de alguna forma un tren de potencia eléctrico, prestando especial atención a los vehículos eléctricos enchufables. Luego se explicarán los elementos relacionados con la gestión de las baterías, puesto que es el elemento clave en la operación de los vehículos eléctricos enchufables. 2.2.-Tipos de vehículos eléctricos Los VEs (vehículos eléctricos) se pueden agrupar según el tipo de vehículo y según las características de su tren de potencia. Con respecto al tipo de vehículo, cuando se habla de VE se suele pensar en turismos, sin embargo, este tipo de propulsión puede utilizarse también para motocicletas, automóviles comerciales y automóviles públicos. En España, el proyecto Movele por ejemplo, subvenciona la adquisición de los siguientes tipos de VEs [2, 3]: - 25 tipos de turismos, de los cuales el más vendido hasta la fecha es el THINK city. - 76 tipos de motocicletas, de las cuales la más vendida hasta la fecha ha sido la marca Vectrix. - 39 tipos de vehículos comerciales. - 2 tipos de vehículos públicos. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 15 Proyecto Fin de Carrera 2.3.1.- Tipos de baterías Últimamente las características de las baterías han mejorado notablemente debido a su continuo desarrollo y se espera que sigan mejorando sus propiedades ayudándose del desarrollo de la electrónica en sectores como el de la telefonía móvil, la informática y la electrificación del transporte, tema que nos atañe. Las baterías recientemente han aumentado la cantidad de ciclos de carga y la capacidad de almacenamiento por unidad de peso y volumen, se han eliminado en algunos tipos el efecto memoria y se ha aumentado el ciclo de vida de las baterías. En la siguiente tabla: 2; de detallan las principales tecnologías que se utilizan en la electrificación del transporte. Tipo de baterías recargables Densidad energética (Wh/Kg) Energía/volumen (Wh/litro) Potencia/Peso (W/Kgr.) Número de ciclos Eficiencia energética% Zebra (NaNiCl) 125 300 150 1.500 92,5 Polímero de Litio 200 300 300 1.000 90,0 Iones de Litio 80-160 170-450 1.800 1.000 – 3.000 90,0 Níquel- Hidruro Metálico (NiMH) 70-80 140- 300 200- 1.000 300-600 70,0 Níquel- Cadmio (NiCd) 60 50-150 250 1.500 72,5 Plomo- Ácido 10-35 60-75 250 400-800 82,5 Tabla 2, Clasificación de las baterías recargables. Mención especial merecen las baterías de ion litio, puesto que son las que tienen mejores prestaciones, reflejadas fundamentalmente por su alta densidad energética. Por tal motivo, son las que más opciones tienen de utilizarse en los vehículos híbridos enchufables y en los vehículos eléctricos puros. Una muestra de esta mayor aplicación, es que la inmensa mayoría de los turismos que figuran en el catálogo Movele, utilizan la batería de ion litio en sus baterías. El funcionamiento de las baterías de iones de litio se basa en el intercambio de un ion litio metálico entre el ánodo y cátodo; y debido a su alta densidad de energía, la ausencia de efecto memoria y su poca pérdida de carga, son ampliamente utilizadas en todo tipo de electrónica. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 16 Proyecto Fin de Carrera Sin embargo, para su aplicación en los vehículos eléctricos se necesitará que la nueva generación de baterías de litio proporcionen una mayor densidad de energía, tengan un menor costo y usen materiales abundantes. Las características de las baterías de iones de litio dependen de los materiales que forman el cátodo, el ánodo y el electrólito por lo que las investigaciones se centran en los mejores materiales para su utilización. Para la utilidad en los vehículos híbridos enchufables y vehículos eléctricos puros, se ha pensado en materiales sintéticos nanoestructurados, que puedan ser más seguros y aportar mejores características como por ejemplo el LiFePO4 (fosfato de hierro – litio), que se puede utilizar en el cátodo, y que a pesar de que en su forma natural es un mineral con baja conductividad electrónica, en su forma sintética a escala nanométrica, puede ofrecer buenas propiedades. Con respecto al ánodo, también se ha trabajado en materiales nanoestructurados, como por ejemplo, el carbón duro o compuestos de Si-C, de los cuales se espera que aumenten la densidad de energía en un 20-30 por ciento. Otros puntos a investigar, para desarrollar totalmente la tecnología de las baterías son: - Gestión de las baterías. - Principios básicos, materiales de los componentes y reciclaje. - Integración de las baterías en el vehículo. - V2G y aplicaciones de almacenamiento estacionario. 2.3.2.- Modo de repostaje de energía eléctrica Para la carga de los vehículos eléctricos, se pueden diferenciar tres formas: Carga conductiva, carga inductiva y sustitución de baterías. La primera forma parece ser la forma más sencilla y barata de instalación. La segunda, a pesar de que puede ser la forma más cómoda para los usuarios (no necesita ninguna conexión por cable) y existen varios proyectos piloto, su marco regulatorio está poco desarrollado, es difícil de instalar y es menos eficiente. En relación a la tercera forma, a pesar de eliminar la barrera de la poca autonomía, existe un escepticismo generalizado con respecto a su instalación y distribución. Las características más importantes de las diferentes formas de repostaje son: - Carga conductiva: El sistema conductivo es una conexión directa a la red, tan simple como enchufar el vehículo mediante cables especiales de alta capacidad con conectores que protejan al conductor de los altos voltajes. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 17 Proyecto Fin de Carrera Actualmente, todos los agentes involucrados trabajan especialmente en el desarrollo y estandarización de dispositivos y modos de carga (lento, normal, rápido y ultra rápido) referentes al acoplamiento conductivo. De esta manera, este modo de repostaje parece postularse como el predominante al menos en la etapa inicial del proceso de introducción del VE. Esto ha llevado a que el marco regulatorio de la carga conductiva esté más desarrollado en las diferentes organizaciones de normalización. Concretamente en el IEC, está el comité TC69, y constan las siguientes normas: -IEC 61851 (Sistema conductivo de carga para vehículos eléctricos): Esta norma define el sistema conductivo de carga para el VE, los modos de carga, tipos de conexión y las funciones generales obligatorias del SAVE (Sistema de Alimentación del Vehículo Eléctrico). Algunos ejemplos de situaciones de carga de forma conductiva en C.C. y en C.A. son detallados en la Figura:6. También se está trabajando en la revisión de la especificación 61851-23, que determina los requerimientos para una estación de carga conductiva en corriente continua. -IEC 62196 (Enchufes, acopladores y entradas, para la carga conductiva): esta norma define el interfaz de conexión para todos los modos de carga del VE. Concretamente se definen tres tipos definidos: Tipo 1 (enchufe monofásico), tipo 2 (enchufe monofásico y trifásico) y tipo 3 (enchufe monofásico – trifásico con obturador). En la Fig:6, se pueden ver los cuatro modos de carga que toma en cuenta la norma IEC 61851, el amperaje de trabajo, las fases y la interface que puede utilizar según la norma 62196. Dichas interfaces están definidas de la siguiente forma: - B: interfaz básica. - U32: interfaz universal en alterna sólo para 32 A. - Ua: interfaz universal en alterna sólo para 32/250 A. - Ud: interfaz universal en continua sólo para 32/400 A. Los modos de carga al igual que los tipos de conexión y un estudio detallado de los cargadores además de un resumen de la normativa se recogen en el anexo A. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 18 Proyecto Fin de Carrera Figura 6, Ejemplo de situaciones de carga en C.A. y en C.C.[ IEC 61851-1] - Carga inductiva: El acoplamiento inductivo tiene la ventaja de imposibilitar cualquier electrocución, pero hoy en día es más caro y menos eficiente que el primero; por lo que es un sistema en el que, en la actualidad, se trabaja menos. Por esta razón, la norma internacional IEC 61980 hasta hace poco ha sido actualizada y puesta en circulación, en espera de ser aprobada. Aún así, existen ciertas iniciativas como: - Sistema Plugless Power de una empresa americana llamada Evatran. - Sistema de carga inductiva en el que trabaja Nissan. - Sustitución de baterías. Con respecto a la sustitución de baterías, la empresa israelí “Better Place” considera que este tipo de repostaje junto con la carga conductiva, son los elementos clave para lograr que los vehículos eléctricos puedan ofrecer las mismas o mejores prestaciones que los vehículos con motor térmico. Entre los beneficios que puede ofrecer, se suman: - Realización de trayectos largos. - Evita el sobre costo que suponen las baterías para los VEs, en relación a los vehículos tradicionales (renting de baterías). Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 19 Proyecto Fin de Carrera - Permite que la carga de las baterías sea totalmente gestionada por parte de las empresas eléctricas, cargándolas cuando más le beneficie al sistema eléctrico. 2.3.3.- Lugares para realizar el repostaje La infraestructura necesaria para la correcta operación de los vehículos eléctricos, se tendrá que desplegar en diferentes tipos de localizaciones. Aunque muchos aspectos no dependen del lugar de instalación, hay características especiales de cada tipo de localización que deben ser tomados en cuenta de cara al desarrollo de un correcto marco regulatorio y a establecer las capacidades necesarias de los dispositivos de medición, en el anexo B, se describen detalladamente. Dichos tipos de localización se engloban en los siguientes grupos: - Instalación de acceso público y propiedad pública: Este tipo de instalaciones están ubicadas en lugares como los parkings públicos (bien sea en la superficie o soterrados) y la vía pública. Se prevé que al principio la mayoría de estos puntos de recarga estén habilitados para un modo de carga lento o estándar, y luego, a medida que se vaya aumentando el nivel de introducción de los VEs y los nuevos modelos estén provistos de una mayor autonomía, se tendrá que coordinar y planificar la instalación de más puntos de recarga habilitados para cargar de forma rápida. Así, estas instalaciones significarán un gran valor para los usuarios que necesiten una carga extra durante el día. - Instalación de acceso público y propiedad privada: Este tipo de instalaciones estarán ubicadas en lugares como los centros comerciales y estaciones de puntos de carga, que se entienden como instalaciones integrales que estarán habilitadas para la carga lenta (modos de carga 1,2 y 3 según la norma IEC 61851), carga rápida (modo de carga 4 según la norma 61851), intercambio de baterías y demás servicios que puedan surgir relacionados con el VE. - Instalación de acceso privado y propiedad privada: Este tipo de instalaciones son las referentes a nuestro edificio, serán las que estarán ubicadas en las casas particulares, en las comunidades de vecinos y en entornos empresariales con o sin flotas. Se les conoce también como las “instalaciones vinculadas”, ya que los dueños y usuarios de los VEs, son los mismos. Comentar en este punto que el Reglamento Eléctrico de Baja Tensión (REBT) limita la instalación monofásica con un máximo de 15 kW. En los parkings de las casas se prevé que el vehículo esté conectado especialmente en las noches, y dicha instalación podrá proveer una carga lenta, Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 20 Proyecto Fin de Carrera tal como provee a los electrodomésticos convencionales. Con el avance de la implantación de los sistemas de medida avanzados y las TICs (Tecnologías de la información y la comunicación), se espera que la instalación doméstica sea más dinámica e interactiva con el sistema eléctrico, con tal de participar de forma activa en la demanda de energía eléctrica. 2.3.4.-Tiempo de recarga e impacto en la red Para realizar el estudio del impacto en la red de los diferentes tipos de carga, no existe demasiado consenso respecto a cuanta potencia corresponde a cada nivel y estos niveles pueden variar dependiendo del país o el continente en el que nos encontremos. En la actualidad se está trabajando en la implantación de los siguientes tipos de recarga para los vehículos eléctricos, en la tabla 3 se muestran sus características: TIPO DE CARGA POTENCIA (Kw) TENSIÓN/ AMPERIOS CORRIENTE TIEMPO RECARGA Carga estándar (lenta) 3,7 230V, 16 A, monofásica CA 6h-8h Cargasemirápida Hasta 20 400V, hasta 68 A. CA 2h-4h Carga rápida Hasta 80 400V, hasta 200ª. CC 15-30 min. Tabla 3; Tipos de carga. [6] Para realizar la carga estándar o lenta se utiliza una conexión monofásica como la utilizada en los aparatos electrodomésticos, la regulación se encuentra en el anexo A. El tiempo necesario para la recarga de una batería de 10 kWh es aproximadamente de 3 horas, para una batería de 20 kWh es 5,5 horas y para una batería de 40 kWh 11horas. Para esta carga lenta se considera una potencia máxima de 3,7 kW, un voltaje de 230 V y un consumo de intensidad de 16A. Con la utilización de la carga semi-rápida, se estima que la reducción del intervalo de carga para una batería de 10Kwh está entre 15-30 minutos, y hasta 2 horas para una batería con una capacidad de 40 kWh En este tipo de carga la conexión es trifásica, el voltaje es 400 V, la intensidad se sitúa entre 32 y 68 A y la potencia instalada está entre 22 y 44 kW. La carga rápida se realiza en corriente continua, suministrando intensidades de 250 a 400 Amperios, con unas tensiones de entre 500 y 600 Voltios y unas potencia instalada de 220 a 240 KW. Este tipo de carga permite reducir los tiempos de carga a unos pocos minutos (entre 15 y 30 minutos) y puede rivalizar con los repostajes de los vehículos convencionales. Para la implantación de los tipos de recarga semi-rápido y rápido a corto plazo no se estudian como una opción viable ya que se necesita la ampliación de la potencia instala en las viviendas y una adaptación de la red eléctrica y los conectores como Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 21 Proyecto Fin de Carrera indica la normativa. Además para la recarga rápida se necesita un rectificador para pasar de CA a CC por lo que no se contempla como una opción para las viviendas en los edificios. El modo en el que se realice la recarga va a influir en la gestión de la demanda eléctrica de los VE ya que dependiendo del tipo de recarga y el momento de realizarla afectará de diferente manera a la curva de la demanda. A continuación se van a mostrar unos ejemplos de cómo afecta la recarga a dicha curva. En la figura: 7; se puede observar que la recarga lenta si se realiza durante las horas de baja demanda (entre las 24h y las 9h) ayuda a suavizar la curva de demanda, mientras que si esta recarga se produjese entre las horas de mayor demanda (entre las 17h y las 23h) se produciría un pico de demanda y una sobrecarga de la red. Figura 7; Recarga estándar en horas valle. [7]. El escenario idóneo por lo tanto, será cargar durante las horas valle para no saturar la red y conseguir un precio más bajo de la electricidad. Esta situación solo se podría dar con la carga lenta y semi-rápida, para la carga rápida suponemos que se producirá de carácter de urgencia en situaciones ocasionales. En las siguientes imágenes se muestran diferentes situaciones de recarga. En la figura: 8, se muestra una recarga semi-rápida en un punto de la curva de demanda de gran consumo produciendo un pico de consumo. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 22 Proyecto Fin de Carrera Figura 8; Recarga semi-rápida en hora pico. [7]. En la siguiente figura: 9, se muestra cómo afecta a la curva de la demanda la recarga semi-rápida producida en horas valle. Figura 9; Recarga semi-rápida en horas valle. [7]. El objetivo final, es conseguir con la introducción del vehículo eléctrico una curva de la demanda como se muestra en la figura: 10; para ello será necesario la utilización de sistemas de gestión inteligente y medidas para fomentar la recarga en horas valles. De este modo se conseguirá maximizar el beneficio de energías renovables como la eólica y se evitaría desconectar los parques eólicos por los bajos índices de demanda de energía en las horas nocturnas y conseguiríamos un mayor aprovechamiento de los recursos naturales. Figura 10; Curva de carga deseable en la integración del VE. [7]. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 23 Proyecto Fin de Carrera 3. -CONSUMO ELÉCTRICO DE VEHÍCULOS ELÉCTRICOS E HÍBRIDOS 3.1.-Introducción Para estimar el consumo eléctrico de los vehículos que se encuentran en nuestro edificio se ha realizado una estimación del número de vehículos eléctricos e híbridos que se encuentran en el edificio. Según el INE [8], la media nacional es de 1,75 vehículos por hogar, por lo que calculamos que en un edificio con 28 familias el número de vehículos será aproximadamente 50. Los consumos de los vehículos que se comercializan en el mercado español se homologan a partir de la realización de ciclos de conducción en bancos de rodillos, los principales ciclos de conducción se describen en el Anexo C, el ciclo utilizado por los fabricantes para estimar el consumo eléctrico es el ciclo Europa, que se describe acontinuación. 3.2.-Ciclo Europa El ciclo Europeo utilizado para estimar el consumo de los vehículos es el NEDC además también se estima con este ciclo la emisión de contaminantes [9,10]. Es una combinación de 4 ciclos ECE-15 y un ciclo EUDC alfinal, para tratar de simular las proporciones entre circulación urbana y extraurbana que se realizan en la Unión Europea. La duración del ciclo es de 1180 segundos y se representa en la siguiente figura 11. Figura 11; Ciclo referencia para la homologación de consumos. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 24 Proyecto Fin de Carrera 3.2.1.- Descripción del ciclo NEDC Este ciclo esta compuesto por dos partes, la primera que se repite 4 veces, simula la circulación puramente urbana, en esta circulación las velocidades no superan los 50 km/h, que en nuestro caso coincide con el máximo permitido para circulación urbana. La velocidad media de esta primera parte es 18,35 Km/h resultado de realizar 3 aceleraciones de 0 a 15, 32 y 50 Km respectivamente, tal y como se muestra en la siguiente figura:12, el tiempo es 13 min., la distancia 3976,11 m. y la velocidad máxima 50 Km/h. Figura 12; Parte urbana ciclo NEDC. La segunda parte del ciclo, donde se pretende simular la circulación por los extrarradios, se repite tan solo una vez. En esta ocasión el vehículo circula durante más de 6 minutos acelerando progresivamente hasta 120km/h y recorriendo una distancia de más de 6,5 Km. La velocidad media de este ciclo es de 61Km/h, dicho recorrido es similar al realizado por un vehículo en rondas o vías de circunvalación. La normativa de tráfico actual prevé que en estas vías la velocidad máxima de circulación sea de 80km/h, claramente superior a la velocidad media de este ciclo. En la siguiente figura: 13; se muestra esta etapa, siendo la distancia recorrida 6.822,22 m., el tiempo 6,67 minutos. Figura 13; Parte extraurbana del ciclo Europa. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 31 Proyecto Fin de Carrera Con los datos establecidos para nuestra instalación y aplicándolos a la ecuación del IDAE [2] nos da una producción de energía fotovoltaica anual: = 45492300 wh = 45.492,3Kwh anuales. 4.3.-Energía eléctrica producida por la instalación minieólica Para obtener la energía producida por la instalación mini-eólica debemos de comenzar describiendo las propiedades del aerogenerador y las condiciones del viento en el lugar de la instalación, debemos de tener en cuenta que no existe normativa específica para este tipo de instalaciones mini-eólicas conectadas a la red.[17] El edificio de estudio se encuentra en Zaragoza, y los datos de la velocidad y la dirección del viento las obtenernos del CENER [13]. En la siguiente tabla: 6; se muestran los valores de la velocidad del viento y la probabilidad de ocurrencia, estos datos han sido obtenidos de la roseta de los vientos de la página del CENER para esta localización exacta. Velocidad (m/sg) Porcentaje (%) 0 5 2 9 4 18 6 27 8 36 20 5 Tabla 6; Datos de velocidad y porcentaje de viento. La roseta de los vientos para esta localización se muestra en la siguiente figura: 19. Figura 19; Roseta de los vientos; Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 32 Proyecto Fin de Carrera Como se puede apreciar en la roseta, el porcentaje de viento no suma el 100%, por lo que para completar la suma de porcentajes hasta 100 realizamos una estimación de vientos a una velocidad de 0 m/sg. Con una frecuencia del 5% y otro porcentaje de 5% para vientos de 20m/sg. También necesitamos saber las propiedades de la máquina seleccionada para calcular la energía anual producida por nuestra instalación. Las principales propiedades se describen a continuación, y el resto de características técnicas se encuentran en el Anexo K. Principales características: - Potencia Nominal (PN):5,5 kW. - Longitud hélice: 4,6 m. - Diámetro: 4m. - Velocidad de inicio (vin):2,7m/sg. - Velocidad Máxima (vmáx):49,6 m/sg. - Velocidad Nominal ( vN): 13 m/sg. - Rendimiento: 0,22213; El área de barrido para este aerogenerador mini-eólico es igual a 18,4 m2, por lo que cumple con la Normativa Internacional que establece el área de barrido máxima de estos molinos para esta tecnología no debe de superar las 200 m2. La curva de potencia que describe dicho generador, se muestra en la siguiente figura: 20,[16]; Figura 20; Curva de potencia del aerogenerador. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 33 Proyecto Fin de Carrera La energía producida anualmente por un aerogenerador de este tipo y con las propiedades del viento para esta zona la podemos calcular a partir de la siguiente fórmula: ; (Ec: 4.7); Siendo: (Densidad del aire): 1,225 kgr/m3; A: Longitud hélice* Diámetro= 4*4,6 = 18,4 m2; La velocidad la calculamos como una media ponderada según los porcentajes obtenidos en la tabla: 4.3; del número de horas anuales. La energía anual producida por este generador es = 7.982,677 Kwh anuales. La instalación mini-eólica está formada por 4 aerogeneradores iguales, situados cada uno sobre una vivienda respectivamente, en la figura: 4.2; se muestra la disposición de las viviendas en planta. Por lo tanto, la producción de energía anual por la instalación mini-eólica será: Pinst-eólica= Panual* 4 = 31.930,708 Kwh anuales. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 34 Proyecto Fin de Carrera 5.- CONSUMO ELÉCTRICO TRANSPORTE VERTICAL Los sistemas autónomos de producción de energía instalados en el edificio tienen como principal objetivo abastecer el transporte vertical de personas dentro del mismo, para ello se realiza un cálculo del consumo energético necesario para dicho transporte. El edificio está formado por 28 viviendas, las cuales están distribuidas en 7 plantas con una distribución similar de 4 pisos por planta. El modelo elegido para dar servicio a las familias es la instalación de 2 ascensores trabajando en paralelo, los ascensores escogidos son de la marca ENOR [19] y sus principales características se describen en el anexo I. Las características de los ascensores haciendo referencia a la Norma NTE-ITA se describen en la siguiente tabla: 7; Tipo Carga(kg) Nº de Personas Velocidad(m/s) Potencia(Kw) ITA-1 400 5 0,63 4,5 ITA-2 400 5 1 7,5 ITA-3 630 8 1 11,5 ITA-4 630 8 1,6 18,5 ITA-5 1.000 13 1,6 29,5 ITA-6 1.000 13 2,5 46 ITA-7 1.600 21 2,5 73,5 ITA-8 1.600 21 3,5 103 Tabla 7; Características de los ascensores NTE-ITA [22] Los ascensores escogidos estarán en el grupo ITA-2 y las principales propiedades para estimar el consumo son: - velocidad: 1m/sg. - Potencia: 7,5kW; El principal parámetro para determinar el consumo eléctrico de los ascensores es el número de horas de servicio, para ello utilizaremos la siguiente fórmula: Ec: 5.1; Donde: Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 35 Proyecto Fin de Carrera - t: es el número de horas de servicio al año. (Horas/año). - N: Número de viviendas totales. - P: Nº de paras o plantas del edificio. - A: Nº de ascensores que trabajan en paralelo. - V: Velocidad del ascensor en m/sg. Si dispone de 2 velocidades será la mayor. - C: Capacidad o número máximo de personas del ascensor. El valor de “t” para nuestro edificio es t = 447,125 horas/año. Con este dato ya podemos calcular la energía consumida por el grupo motriz multiplicando por la potencia motriz Pm. Pm = 7,5 Kw* 447,125 horas/año = 3.353,4375 Kwh anuales. Además también se produce un consumo eléctrico por parte de la iluminación de los ascensores que tenemos que tener en cuenta, según el RD 1314/1997 se deberá de reducir el consumo en iluminación y solo se mantendrán encendida durante su utilización, estimando que el 75% del día el ascensor se encuentra parado y no necesita la iluminación. [20] Tencendido= Para la iluminación de cada ascensor se utilizarán 2 fluorescentes de 30 Watios cada una por lo tanto, el consumo en iluminación será: Pi = 2 Obteniendo la potencia final del ascensor como suma de la potencia motriz y la de iluminación. Pascensor= Pm+ Pi = 3.616,2375 Kwh anuales; Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 36 Proyecto Fin de Carrera 6.-BALANCE ENERGÉTICO DEL EDIFICIO 6.1.- Introducción En este capítulo se va a realizar el balance energético del edificio de estudio, para ello se realizará el cálculo de la energía producida por los sistemas autónomos de generación de energía y el cálculo de la energía consumida en el edificio. Por otro lado se realizará un balance económico utilizando las tarifas actuales de mercado y por último una estimación de la reducción de CO2 emitido a la atmosfera. 6.2.- Producción de energía La producción de energía en el edificio es llevaba a cabo por la instalación fotovoltaica y por la instalación mini-eólica, los cálculos se han realizado en el capítulo4. La instalación fotovoltaica tiene una producción anual de: Pfotovoltaica=45.492,3 kWh anuales. La instalación mini-eólica está formada por 4 aerogeneradores como se describió en al anterior capítulo, por lo que la producción de energía anual es: Pinst-eólica= 31.930,708 kWh anuales. La suma de ambas potencias da como resultado la potencia producida anual por los sistemas de energías renovables. PTotal= Pfotovoltaica+ Pinst-eólica= 77.432,008 kWh anuales; (Ec: 6.1); Esta energía producida es equivalente al 43,2% del total de la energía consumida por el edificio y el 86,48% de la energía necesaria para recargar las baterías de los vehículos anualmente. 6.3.-Consumo de energía El consumo de energía en el edificio está formado por 3 consumos principalmente: consumo del transporte vertical, el consumo de las familias residentes en el edificio y el consumo de los vehículos eléctricos e híbridos. El consumo de las familias se ha estimado considerando el consumo medio eléctrico que realizan las familias en unas condiciones semejantes, para ello se han obtenido el valor de consumo medio anual de dos fuentes diferentes; según el IDAE el consumo medio anual para las familias es de 3.300 kWh anuales y para IBERDROLA Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 37 Proyecto Fin de Carrera es 2.850 Kwh anuales, por lo tanto se ha realizado una media ponderada de ambos valores y el resultado es. Pfamilias= (Ec: 6.2); Nuestro edificio de estudio está formado por 7 plantas con 4 viviendas por planta, por lo que hay 28 familias en el edificio. El consumo total de las familiar del edificio es: Pfamilias-total= Pfamilias* 28 = 86.100 kWh anuales. ( Ec: 6.3); Por otro lado, está el consumo tanto del transporte vertical en el edificio, como el consumo del transporte horizontal formado por los vehículos eléctricos e híbridos. Ambos consumos se han calculado en el capítulo 5 y 3 respectivamente. Consumo transporte vertical: Pascensores = 3.616,2375 Kwh anuales; Consumo de los vehículos eléctricos e híbridos: Panual”A”= 89531250 wh anuales = 89.531,25 Kwh anuales. Panual”B” = 84.687,5 Kwh anuales. Para el cálculo de la potencia total consumida por el edificio, tomaremos la mayor potencia en el caso de los vehículos, considerando que la mitad de los vehículos son eléctricos y la otra mitad son híbridos. El consumo total de energía es el resultado de la suma de todos los consumos anteriormente citados: PCONSUMO-TOTAL= Pfamilias-total + Pascensores + Panual”A”= ( Ec: 6.4); PCONSUMO-TOTAL =86.100 + 3.616,2375 + 89.531,25 = 179.247,4875 kWh anuales; Como se puede apreciar del total de la Ec:6.4, el consumo mayoritario del edificio es destinado a la recarga de las baterías de los vehículos siendo un 49,9% del consumo total. 6.4.- Balance económico Para realizar el balance económico del edificio se va a tener en cuenta el balance solo entre la energía consumida y la energía producida, el estudio de la amortización de ambas instalaciones será una parte de las líneas futuras a seguir. La energía producida por los sistemas autónomos de producción es vendida en su totalidad a la red eléctrica por lo que no es necesaria la instalación de acumuladores de energía. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 38 Proyecto Fin de Carrera Para estimar la producción económica de nuestra instalación debemos de obtener el precio por kWh producido, y este precio varía dependiendo de la fuente de energía renovable en la que nos encontramos. Para la instalación mini-eólica no existe ninguna legislación específica por lo que la tramitación y retribución para la conexión a red es la misma que la eólica general, la prima a la que se acoge este tipo de energía renovable según el RD 661/2007 es de 0,0732 €/kWh. Por el contrario, para la producción de energía fotovoltaica existe un sistema más flexible según el RD1578/2008 por el que el precio de la energía fotovoltaica es: - Potencia menor a 20 kW. Su retribución es de 34 cent € kW/h. - Potencia superior a 20kW. Su retribución es de 32 cent € kW/h. Nuestra instalación tiene una potencia de 37,35 kW como es superior a los 20 kW, nuestra retribución será de 32 cent € kW/h. La producción económica anual del edificio de estudio será: - Energía mini-eólica: 31.930,708 kWh anual* 0,0732€/kWh = 2.337,327 € al año. - Energía Fotovoltaica: 45.492,3kWh anual * 0, 32 €/kWh = 14.557,536 € al año. Y la producción económica total será: 2.337,327 € +14.557,536 € = 16.894,86 € al año. Por otro lado, para realizar el cálculo del gasto de la energía consumida debemos de seleccionar la tarifa que mejor se adapte a nuestras necesidades, la potencia contratada por las familias será inferior a 10kW y las tarifas en estudio son: - Tarifa “a”: sin discriminación horaria: 0,142319 €/kWh; - Tarifa “b”: con discriminación horaria: El periodo de discriminación horaria es entre las 22h y las 12h, los datos han sido obtenidos de IBERDROLA.[23] El consumo de todo el edificio con la tarifa “a” será: 179.247,4875 kWh anual *0,142319 €/kWh = 25.510, 23 € al año; Para calcular el consumo con la tarifa “b” debemos de justificar en que periodo de día se produce cada consumo para así realizar el cálculo. Suponemos que el consumo del transporte vertical y el consumo familiar se produce 1/3 del tiempo durante el periodo 2 y 2/3 durante el periodo 1. Por otro lado Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 39 Proyecto Fin de Carrera haciendo referencia al capítulo 1 donde se exponen los tiempos y los modos de carga de los vehículos eléctricos realizamos la suposición de que los vehículos serán recargados durante la noche, donde se produce el valle de la curva de la demanda energética y así conseguir una integración de las energías renovables. El consumo para esta tarifa “b” será: - En el periodo 1: Consumo 1= € = 10.330,8 al año; - En el periodo 2: Consumo 2 = € + Pvehículos* € = Consumo 2 = € + 84.687,5* € = Consumo 2 = 7.339,33 al año; Consumo “b” = Consumo 1+ Consumo 2 =10.330,8 + 7.339,33 = 17.670,13 al año; Como el consumo con la tarifa “b” es inferior al consumo con la tarifa “a” la tarifa más adecuada para las familias del edificio será la “b” con discriminación horaria. El balance económico con las tarifas que se encuentran en el mercado energético es: Producción económica – Consumo económico = 16.894,86 € -17.670,13 = -775,27 El balance económico es muy favorable ya que el edificio solo consume 775,27 anualmente en general, lo que supone un consumo medio para cada familia de 27,69 anuales frente a los 631,071 si no se hubiese instalados los sistemas autónomos de producción de energía. Esta diferencia 603,38 por cada familia y por año pueden ser destinados a la amortización de los sistemas autónomos de generación de energía. 6.5.- Emisiones de CO2 En este apartado se va a realizar el cálculo del ahorro de emisiones de CO2 a la atmosfera del edificio de estudio. El sistema eléctrico español genera unas emisiones de CO2 para producir la energía que se consume en las viviendas, dependiendo de la fuente de energía con que se genere, las emisiones serán distintas. El factor de emisiones de CO2 para cada fuente Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 40 Proyecto Fin de Carrera de energía viene expresado en toneladas de CO2 por megavatio hora (tCO2/MWh) y representa las toneladas de dióxido de carbono emitido a la atmósfera al generar una cantidad de energía eléctrica igual a un MWh. En la siguiente tabla: 6.1; se muestran los factores de emisión de CO2 para las diferentes fuentes.[7] Fuente de Energía Factor de emisión (tCO2/MWh) CT Carbón 0,95 CTCC Gas Natural 0,37 CT Fuel + Gas 0,7 Hidráulica 0 Nuclear 0 Eólica 0 Resto Régimen Especial 0,25 Tabla 8; Factores de emisión de CO2. Fuente REE. Por otro lado, el desglose de la mezcla de tecnologías de producción nacional para obtener la energía eléctrica se muestra en el siguiente gráfico[7]: Figura 21; Mezcla de producción sistema eléctrico español. Nuestro edificio produce una potencia anual PTotal= 77.432,008 kWh anuales, y con los porcentajes del gráfico y sus correspondientes factores de emisión calculamos la cantidad de CO2 que no emitimos a la atmosfera. Del cálculo se estima que la cantidad de CO2 que no se emiten a la atmósfera es de 28,1547 Toneladas de CO2. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 47 Proyecto Fin de Carrera Figura: 1.1; Resumen de las características de los distintos modos de carga. También podemos hablar de 3 tipos diferentes de modos de conexión del VE a la red eléctrica de c.a.: Conexión caso “A”. En este modo, la conexión entre el VE y la red de c.a. se realiza mediante un cable de alimentación y una clavija permanentemente unidas al VE como se muestra en la figura 1.2. Figura: 1.2; Conexión caso A. Conexión de un VE a una c.a. utilizando un cable de alimentación y una clavija permanentemente unidos al VE. Conexión caso “B”. La conexión del VE a la red de c.a. se realiza en este modo utilizando un cable de carga desmontable con un conector del vehículo y un equipo de alimentación en c.a., en la siguiente figura 1.3 se muestra la conexión. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 48 Proyecto Fin de Carrera Figura: 1.3; Conexión caso B. Conexión de un VE a la red c.a. utilizando un conjunto de cable desmontable con un conector y un equipo de alimentación en c.a. Conexión caso “C”. El cable de alimentación y el conector del vehículo permanecen permanentemente unidos al equipo de alimentación como se aprecia en la figura 1.4. Este caso es el único permitido para el modo 4 de carga. Figura: 1.4; Conexión caso C. Conexión de un VE a la red de c.a. utilizando un cable de alimentación y un conector permanentemente unidos al equipo de alimentación. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 49 Proyecto Fin de Carrera Interfaz de conexión entre la alimentación y el VE Existen dos tipos de conexión física entre la alimentación y el vehículo eléctrico. Interfaz universal. Debe constar de hasta 12 contactos con una única configuración física de posiciones de contacto. Estas posiciones serán usadas en unos modos de carga u otros y los valores eléctricos asignados a cada posición se muestran en la siguiente tabla 1.1. TIEMPO DE CARGA(min) 230V(IF) 400V(IIIF) 700V(DC) CARGA LENTA (12A) 326,09 108,25 107,14 CARGA NORMAL(50A) 78,26 25,98 25,71 CARGA FAST(300A) 13,04 4,33 4,29 CARGA VERY FAST(500A) 7,83 2,60 2,57 Tabla: 1.1; Tiempos de carga en minutos para diferentes cargas. La conexión de entrada universal del vehículo debe poder acoplarse tanto con el conector de c.a. de alta potencia como con el conector de c.c. de alta potencia. Además se debe asegurar mediante algún medio en la conexión de entrada del vehículo y los conectores de potencia que el conector de alimentación de corriente continua no puede acoplarse con la conexión de c.a. y viceversa. Interfaz básica. Esta interfaz constará de hasta 8 contactos de señal o potencia, las posiciones de contacto quedarán también fijadas físicamente en el conector. El conector de entrada básico del vehículo debe poder acoplarse tanto al conector monofásico como al trifásico. Circuito Piloto de Control PWM El circuito piloto de control está formado por el conductor piloto de control, el conductor de toma de tierra de protección, electrónica de control del SAVE y demás sistemas electrónicos a bordo del VE. La norma recomienda la implementación para el circuito piloto de control que se muestra en la siguiente figura 1.5. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 50 Proyecto Fin de Carrera Figura: 1.5; Circuito piloto de control típico. Dicho circuito realiza las funciones de verificación de la correcta conexión entre el VE y el SAVE además de asegurar la continuidad del conductor de toma de tierra. Una vez realizada la conexión, el sistema SAVE podrá informar al vehículo eléctrico de que la infraestructura está preparada para suministrar energía, para ello cerrará el interruptor S1. En ese momento, cuando el vehículo esté asimismo preparado para recibir energía, mediante el cierre del interruptor S2 se dará continuidad al circuito piloto de control permitiendo en ese caso al equipo de alimentación cerrar el contactor principal y comenzar la carga del VE. En los modos de carga 2, 3 y 4 es necesaria la existencia del circuito piloto de control. El circuito piloto de control además de ser capaz de llevar a cabo unas funciones obligatorias puede ser capaz de realizar otras funciones adicionales que se describen a continuación. Funciones obligatorias: - Verificación de que el vehículo está correctamente conectado. El SAVE debe ser capaz de determinar si el conector está insertado correctamente en la conexión de entrada y conectado correctamente a un VE. - Comprobación continua de la integridad del conductor de toma de tierra de protección. La conexión de toma de tierra del equipo del vehículo debe proporcionar un camino de retorno para la corriente piloto de control. Se asegurará la continuidad de la toma de tierra entre el SAVE y el propio vehículo midiendo el flujo de corriente a través de la línea piloto. - Activación del sistema. Si se establece correctamente el circuito piloto de control se permitirá la activación del sistema. - Desactivación del sistema. Si por cualquier motivo se interrumpe el circuito piloto de control, la alimentación de potencia al cable de carga debe ser interrumpida pero el circuito de control puede permanecer activado. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 51 Proyecto Fin de Carrera - Selección de la velocidad de carga. Se debe proponer un medio manual o automático para asegurar que la velocidad de carga no supera la capacidad nominal de la red de c.a. Funciones opcionales: - Determinación de requisitos de ventilación durante la carga. Si se requiere ventilación adicional durante la carga, solamente podrá permitirse la carga si se proporciona dicha ventilación. - Detección/ajuste de la corriente de carga disponible en tiempo real del equipo de alimentación. Se deben proporcionar los medios para asegurar que la velocidad de carga ni debe superar la corriente de carga disponible en tiempo real del equipo de alimentación. -Retención/liberación del acoplador. Se debería proporcionar un medio mecánico para retener/liberar el acoplador. La comunicación de datos serie debe ser como sigue en los diferentes modos de carga: Carga en modo 1. No se utiliza la comunicación de datos. Carga en modo 2 y 3. Comunicación de datos opcional. Carga en modo 4. Comunicación de datos obligatoria para permitir al vehículo controlar el cargador que no está a bordo excepto en el caso de cargadores que no están a bordo dedicados. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 52 Proyecto Fin de Carrera ANEXO B: ESTACIONES DE RECARGA PARA VEHÍCULOS ELÉCTRICOS E HÍBRIDOS Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 53 Proyecto Fin de Carrera 1.-INTRODUCCIÓN En este anexo se va a realizar una descripción detallada de las estaciones de recarga para vehículos eléctricos. 2.-ELEMENTOS PRESENTES EN UN PUNTO DE RECARGA: DEFINICIONES. Las siguientes definiciones han sido tomadas de la “Especificación Técnica de Puntos de Recarga para vehículos eléctricos” elaborada por el Proyecto de Movilidad Eléctrica, también conocido como Movele. 2.1.-Instalación de enlace Según el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (REBT): “se denominan instalaciones de enlace aquellas que unen la caja general de protección o cajas generales de protección, incluidas éstas, con las instalaciones interiores o receptoras del usuario. Comenzarán, por tanto, en el final de la acometida y terminarán en los dispositivos generales de mando y protección. Estas instalaciones se situarán y discurrirán siempre por lugares de uso común y quedarán de propiedad del usuario, que se responsabilizará de su conservación y mantenimiento.” Acometida Parte de la instalación eléctrica comprendida entre la red de distribución existente y la Caja General de Protección (CGP). Será propiedad de la compañía distribuidora. Acometida/Caja General de Protección Es la caja que aloja los elementos de protección de la Línea General de Alimentación (LGA). En los suministros para un solo cliente (o en ocasiones dos si lo permite el armario), al no existir LGA, podrá simplificarse la instalación agrupando en un mismo elemento el CGP y el equipo de medida. Este elemento se designa como Caja General de Protección y Mediad (CPM). Será propiedad del cliente. 2.2.- Estación de recarga Se denomina estación de recarga al conjunto de equipos destinados a suministrar corriente alterna a vehículos eléctricos. Contiene las tomas de corriente, que son cada uno de los puntos de alimentación para vehículos eléctricos presentes en una estación de recarga. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 54 Proyecto Fin de Carrera En la siguiente figura1.1, se muestra la apariencia de un poste de recarga. Figura: 1.1; Apariencia de un poste de recarga. 2.3.- Centro de adquisición de datos Sistema centralizado capaz de gestionar datos estadísticos e incidencias de todas las estaciones de recarga que formen parte del sistema de recarga para vehículos eléctricos. 2.4.- Cables Cable instalación de enlace – estación de recarga. Cable subterráneo, existente en la tipología de puntos de recarga, que enlaza la instalación de enlace con la estación de recarga. Cable estación de recarga - vehículo. Cable existente en la tipología de punto de recarga situado en la superficie que enlaza la toma de corriente de la estación de recarga con el vehículo eléctrico. Cable centro de adquisición de datos local – toma de corriente individual. Cable existente en la tipología de punto de recarga situado en el subsuelo que enlaza el centro de adquisición de datos loca con la toma de corriente individual. Cable toma de corriente individual – vehículo Cable existente en la tipología de punto de recarga situado en el subsuelo que enlaza la toma de corriente individual con el vehículo eléctrico. 2.5.- Instalaciones del cliente Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 55 Proyecto Fin de Carrera Son instalaciones privadas, destinadas al consumo de energía eléctrica, en locales, instalaciones o emplazamientos de su propiedad. Para este proyecto se emplearán plazas de garaje en un edificio privado situado en la ciudad de Zaragoza formando una red de estaciones de recarga. 2.6.- Comunicaciones GPRS: Son las siglas de General Packet Radio Service o servicio general de paquetes vía radio. ADSL: Corresponden con las siglas Asymmetric Digital Subscriber Line o Línea de Suscripción Digital Asimétrica. Consiste en una transmisión de datos digitales (aunque la transmisión es analógica) apoyada en el par simétrico de cobre que lleva la línea telefónica convencional o línea de abonado. Wi-Fi: Siglas en inglés de Wireless Fidelity, es un sistema de envío de datos sobre redes computacionales que utiliza ondas de radio en lugar de cables, además de una marca de la Wi-Fi Alliance (anteriormente conocido por la WECA: Wireless Ethernet Compatibility Alliance), la organización comercial que adopta, prueba y certifica que los equipos cumplen los estándares 802 11. PLC: Las siglas corresponden con Power Line Communication, un término inglés quepuede traducirse por comunicaciones mediante cable eléctrico, y que se refiere a diferentes tecnologías que utilizan las líneas de energía eléctrica convencionales para transmitir señales de radio para convertirla en una línea digital de alta velocidad de transmisión de datos, permitiendo, entre otras cosas, el acceso a internet mediante banda ancha. Fibra Óptica: Consta de un material muy fino, transparente en algunos casos, por los que se envían pulsos de luz que son los datos a transmitir. El haz de luz queda en el cable de fibra óptica como resultado de que el material posee (para una fuente determinada de luz, a saber, LED o láser) un ángulo de reflexión por encima del ángulo de reflexión total. 3.-FUNCIONES DE LAS INSTALACIONES DE RECARGA A continuación se presentan las funciones que deben poseer los elementos que se establecen en las estaciones de recarga: -La estación de recarga debe ofrecer una conexión eléctrica para la carga del vehículo. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 56 Proyecto Fin de Carrera - El punto de recarga tiene que contener protecciones eléctricas que aseguren tanto a los equipos como a las personas. -Además, el punto de recarga debe tener un sistema de enclavamiento del cable (al conector) para la carga del vehículo eléctrico. -La estación de recarga debe ser intuitiva en su uso, por lo que debe contener una señal luminosa que informe el estado de la estación de recarga, de forma que el usuario sepa si la estación está operativa o no. -Por otra parte, si el poste de recarga no dispone de una pantalla informativa del estado de la carga, el sistema de identificación luminosa, mediante un código de colores, deberá proporcionar información sobre el mismo: si se muestra una luz roja el poste estará fuerza de servicio, si es verde está disponible, y si es azul el poste de recarga está cargando al vehículo. -Una de las funciones más importantes es que la estación de recarga deberá confirmar que el vehículo se encuentra conectado correctamente y, por tanto, puede comenzar la carga de las baterías del mismo. -Una vez que la verificación de que el vehículo se encuentra conectado al poste de recarga se ha realizado satisfactoriamente, la estación de recarga deberá ser capaz de activar el sistema de carga. -Al final de cada carga, la estación de recarga deberá ser capaz de desactivar el sistema, de forma que tanto los equipos como las personas estén seguras. -La estación de recarga deberá permitir gestionar la carga, es decir, optimizar la misma, tanto en términos de potencia disponible como de coste económico, según las condiciones a las que se encuentre la red en un instante determinado. -El poste de recarga deberá poseer un sistema de retención del conector durante la carga que permita la liberación del mismo una vez haya finalizado y el usuario haya realizado el pago del servicio efectuado. -Además, la estación de recarga, a través de su sistema de protecciones eléctricas debe realizar la comprobación continua de la integridad del conductor de puesta a tierra de protección, de forma que se garantice un funcionamiento seguro de los equipos. -Otro aspecto a tener en cuenta es la duración de las recargas. La estación de recarga deberá conocer, mediante software, la duración del alquiler de cada usuario, por lo que es de esperar la recepción de un número determinado de vehículos a unas horas determinadas. Conociendo la recepción de vehículos podemos limitar en tiempo la carga del vehículo, pudiendo distribuir la energía disponible en varios automóviles. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 63 Proyecto Fin de Carrera -Interruptor individual para cada poste de recarga con el objetivo de poder realizar el corte de suministro de potencia eléctrica individualmente. 9.- MEDIDAS A REGISTRAR EN CONTADORES Las estaciones de recarga deberán equipar los contadores necesarios para hacer las medidas necesarias de consumo de energía eléctrica para controlar el coste económico de la recarga y para conocer los valores de los parámetros más importantes durante el proceso de carga. Pero no sólo hay que medir la energía consumida por cada poste de recarga, si no que tendrá que registrarse la hora del comienzo y fin de cada recarga, así como la potencia requerida en la recarga. Opcionalmente la estación de recarga podrá contar con un software de sistemas de información que le permita almacenar todos estos datos para conocer y entender los procesos de carga, pudiendo obtener información sobre el rendimiento de la estación de recarga. 9.1.- Magnitudes a medir 9.1.1.-Energía eléctrica: Para realizar la facturación al usuario final, o en nuestro caso, a la empresa encargada del negocio del sistema de alquiler de vehículos eléctricos, es necesario que obtener las medidas de la energía eléctrica activa y reactiva. Estas magnitudes se miden en kWh y kWArh. Es adecuado que los medidores mecánicos tengas una resolución de, al menos, 3 enteros y 2 decimales. 9.1.2.- Tensión de salida: Como forma de control de los parámetros de la carga es obligatorio equipar nuestra estación de recarga con un voltímetro que nos proporcione la tensión de salida del poste de recarga. Esta medida se lleva a cabo para asegurar que la tensión de servicio se suministra de forma adecuada, por lo que ningún componente se verá dañado. Esta magnitud se mide en V. 9.1.3.- Intensidad de salida: Hacer histogramas de las magnitudes durante los procesos de carga es adecuado para optimizar la explotación de la instalación, por lo que se deberá medir la intensidad de salida del poste de recarga. Se mide en A. 9.1.4.-Potencia activa: Para conocer el funcionamiento de la red de energía eléctrica a la que se conecta nuestra estación de recarga, y por tanto, las situaciones más desfavorables a las que se ve sometida, es conveniente medir la potencia activa. Con esta magnitud facilitaremos Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 64 Proyecto Fin de Carrera la gestión de demanda en instalaciones con varios puntos de recarga. La potencia activa se mide en kW. 9.1.5.-Otras magnitudes: Tasa de armónicos (TDH). Se debe medir la tasa de armónicos de tensión e intensidad y hora del inicio y del final de la recarga. 9.2.- Características de los contaderos de magnitudes: Como aspecto fundamental, aquellas magnitudes que tengan que medirse para facturar deberán realizarse con aparatos de medida homologados y que estén de acuerdo con la legislación metrológica vigente: RD 889/2006 (BOE 2/08/06). Por otra parte, en determinadas circunstancias las magnitudes presentes en las estaciones de recarga resultan peligrosas para las personas, por lo que se realizarán medidas indirectas, en el caso de puntos de recarga trifásicos, mediante el uso de transformadores de intensidad de gama extendida, con clase 0,5s y 10VA. Además, la estación de recarga deberá equipar un software que posibilite el almacenaje de las medidas en una base de datos durante 30 días. En cuanto al periodo de registro de las magnitudes eléctricas a medir, éste podrá ser programable al menos entre 1 minuto y una hora. En la siguiente tabla 8.3; se muestra un resumen de las características de los contadores. Tabla: 8.3; Características generales de los contadores. 10.- COMUNICACIÓN Y GESTIÓN DE DATOS En este apartado se exponen los requerimientos para realizar la comunicación y envío de datos entre el vehículos eléctrico, el poste de recarga, centro de adquisición de datos de la estación de recarga, y red distribuidora de energía eléctrica. Las diferentes formas de realizar el envío y recepción de datos son: fibra óptica, PLC, Bluetooth, Wi-Fi, radio digital, ADSL y GPRS. En consecuencia con la tecnología existente en el medio en el que se sitúe la instalación de la estación de recarga se dispondrá por uno u otro. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 65 Proyecto Fin de Carrera 10.1.- Almacenamiento de datos Los datos y medidas de magnitudes serán recogidos en un fichero ASCII de formato abierto. Por otra parte se utilizará una conexión tipo Ethernet (conector RJ45) en el caso en el que sea necesaria la recogida de datos de manera directa. El módulo de almacenamiento de datos tiene que contener la memoria física suficiente para guardar datos de medidas de 30 días. Además, hay varios momentos en los que se realiza el almacenamiento de datos dependiendo del proceso del estado de la recarga. Así, por ejemplo, se deben almacenar datos de forma cíclica, en tiempo real para identificar usuarios, comprobar el pago o por averías; de forma puntual si el centro de datos lo requiere, y en el momento en el que un usuario se identifica. 10.2.- Datos enviados Los datos que se tienen que intercambiar en cada proceso de recarga son: - Parámetros de identificación del usuario: Parámetros de la identificación del usuario, si puede ser, mediante una tarjeta RFID. - Identificación del punto de recarga: Identificación del punto de recarga al que el vehículo eléctrico ha sido conectado. - Fecha y Hora: Fecha y hora tanto del inicio como del final de la recarga. - Parámetros de la carga: Consumo, tensión y medida de potencia utilizada por la carga. - Estado de la recarga: Disponible, funcionando o en avería. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 66 Proyecto Fin de Carrera ANEXO C: BATERÍAS Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 67 Proyecto Fin de Carrera 1. INTRODUCCIÓN Las baterías son el elemento principal dentro de los coches eléctricos, bien sean eléctricos totales o híbridos. Una batería está formada por dos o más células eléctricas unidas entre sí que transforman energía química en eléctrica. Las células están formadas por dos electrodos (uno positivo y uno negativo) unidos mediante un electrolito. En la reacción química entre los electrodos y el electrolito es cuando se genera energía eléctrica en forma de corriente continua. Si la batería es secundaria, quiere decir que esta reacción se puede revertir y recargar la batería utilizando energía eléctrica, este tipo de baterías son las que se utilizan para estos vehículos. 2. PRINCIPALES PARAMETROS DE LAS BATERÍAS Las prestaciones de las baterías van a depender de las características que tengan las celdas o elementos utilizados para su fabricación. Los parámetros utilizados para caracterizar dichas baterías son[5]: 2.1.- Voltaje de célula y batería Todas las células tienen un voltaje nominal que da el voltaje aproximado al que funcionará cuando esté entregando energía eléctrica. Este voltaje nominal, según el tipo de batería estará entre 1 y 3 V aproximadamente por célula. Para tener una batería en un vehículo, se necesita un voltaje superior y es por esto por lo que se conectan células en serie hasta tener un voltaje adecuado. Sin embargo, este voltaje no es constante debido a que las baterías tienen una resistencia interna, que provoca que si la corriente aumenta el voltaje cambie. Como se puede apreciar según la fórmula: V = E - I R ; (Ec: 2.1); V: Tensión en bornes de la carga; E: Voltaje en vacio de la batería; I: Corriente que circula por el circuito; R: Resistencia interna de la batería; Si la batería se está descargando, V bajará cuando aumente I; si se está cargando la batería, V aumentará con I (ya que I invierte el sentido). Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 68 Proyecto Fin de Carrera 2.2.- Capacidad de carga La carga (Q) que puede proporcionar una batería es uno de los parámetros más importantes, ya que nos da una idea de la cantidad de energía que podría entregar. La unidad del sistema internacional para carga es el Coulomb (C) que equivale a un flujo de 1 A por segundo. Esta unidad es demasiado pequeña, por lo que en baterías se habla de Ah, es decir un flujo constante de 1 A por hora. No obstante, la capacidad disminuye a medida que aumenta el flujo, es decir, una batería de 5 Ah calculado con un tiempo de descarga de 5 h (es decir 1 A de flujo) entregará 5 A durante menos de 1 hora pero entregará más de 0,5 A durante 10 horas. En la práctica, la capacidad de una batería de vehículo se da considerando un tiempo de descarga de 5 h. 2.3.- Energía almacenada La energía almacenada depende proporcionalmente del voltaje de la batería y de su capacidad. La unidad del sistema internacional es el Joule (J), pero como en el caso del Coulomb es una unidad demasiado pequeña, por lo que se trabaja con el Watt·hora (Wh) unidad que nos permite expresar la capacidad en la forma de Ah y el voltaje en V. La fórmula es tan sencilla como: Ealm = V Q; (Ec:2.2); 2.4. Energía específica Es la cantidad de energía que puede almacenar una batería por unidad de masa, en este caso por kilogramo. Se expresa en Wh·kg-1. Es un parámetro simplemente orientativo, ya que la energía almacenada varía con factores como la temperatura y el tiempo de descarga, pero puede ayudar a cuantificar de manera aproximada el tamaño de batería necesario para nuestro vehículo. 2.5. Densidad de energía Es la cantidad de energía que puede almacenar una batería por unidad de volumen, en este caso por m3. Se expresa en Wh·m3. Sirve para dimensionar el volumen necesario de una batería para entregar la energía requerida, o bien, si se tiene una limitación de espacio, para calcular la energía de la que se podría disponer con esas limitaciones. 2.6. Potencia específica Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 69 Proyecto Fin de Carrera Expresa la cantidad de potencia que se puede obtener por unidad de masa, en este caso por kilogramo. Se expresa en W·kg-1. Es un parámetro muy variable ya que la potencia a entregar depende más de la carga que de la propia batería. Para lo que puede resultar más significativo es para dar una idea de lo rápido que se puede entregar la energía. 2.7.- Eficiencia de carga Da una idea para saber la cantidad de energía que se pierde en el proceso de carga de la batería, ya que expresa el porcentaje de carga almacenada respecto a la carga introducida. Es un valor que depende de diferentes factores tales como el tiempo de carga o bien la temperatura del proceso, además de con el estado de carga, tanto inicial como final. 2.8.-Eficiencia energética Expresa el porcentaje de energía suministrada por una batería respecto a la energía necesaria para devolverla al estado inicial antes de esta descarga. 2.9.- Auto-descarga Muchas baterías, cuando se dejan un tiempo sin utilizar, se descargan solas. Esto es lo conocido como auto-descarga. Esto es importante, ya que implica que muchas baterías no pueden dejarse sin recargar durante periodos largos, ya que si no se recargaran ofrecerían unas prestaciones muy por debajo de las habituales. 3.- TIPOS DE BATERÍAS Los tipos de baterías que se utilizan para los vehículos eléctricos e híbridos se describen a continuación, detallando sus principales características: 3.1.- Plomo-Ácido Este tipo de baterías son las más antiguas y las más disponibles, su nombre en inglés es Lead Acid como son más comúnmente conocidas. Son las más utilizadas en la automoción, tanto para vehículos eléctricos como vehículos de combustión interna. La diferencia es que el electrolito de las usadas en vehículos eléctricos es un gel (han de ser más robustas y almacenar más energía) en lugar de un líquido. El material activo de las placas negativas de las células es plomo esponjoso y el material activo de las placas positivas es dióxido de plomo. El electrolito es de ácido sulfúrico diluido. La reacción global que se produce en la batería es: Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 70 Proyecto Fin de Carrera Pb + PbO2 + 2H2SO4  2PbSO4 + H2O; (Ec: 3.1); Las reacciones que se producen por separado son: En el electrodo negativo: Pb + SO42-  PbSO4 +2e- (descarga de la batería); (Ec: 3.2); PbSO4 +2e-  Pb + SO42- (carga de la batería); (Ec:3.3); En el electrodo positivo: PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e-  PbSO4+ 2H2O (descarga de la batería); (Ec: 3.4); PbSO4 +202-  PbO2 +SO42- + 2e- (carga de la batería); (Ec: 3.5); En el electrolito: 2H2SO4-> 4H+ + 2SO42- (descarga de la batería); (Ec: 3.6); 2H2O4H+ + 2O2-; 4H+ + 2SO42- 2H2SO4 (carga de la batería); (Ec:3.7); Con estas baterías para conseguir una autonomía de 50 km con una velocidad punta de 70 km/h se necesitan más de 400 kg de baterías de plomo-ácido. El periodo de recarga puede oscilar entre 8 y 10 horas para estas baterías. Ventajas: - Tensión elevada (E=2.1 V) - Capaz de suministrar elevadas intensidades de corriente. - Tecnología fácil de implantar. - Batería recargable con coste bajo. Es la más barata. - Tasa de reciclaje > 90%. - Tecnología muy contrastada. Desventajas: - Baja energía específica (10-35 Wh/kg). - Moderado nº de ciclos de vida para profundidades de descarga elevadas (400-800 ciclos). - Ocupan mucho espacio y pesan mucho. - Presencia de compuestos tóxicos. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 71 Proyecto Fin de Carrera - Riesgo de explosión por desprendimiento de hidrógeno. Entre los coches que utilizan estas baterías destaca el Reva i, que es el más vendido del mundo. Las características técnicas de este vehículo se muestran en el anexo G. 3.2.- Baterías de base Níquel 3.2.1. -Ni-Cd Existen varios tipos de baterías de base níquel: níquel-hidruro metálico (Ni- MH), níquel-cadmio (Ni-Cd), níquel-hierro o níquel-zinc; sin embargo las 2 últimas apenas se utilizan, por lo que sólo son viables las de Ni-MH y las de Ni-Cd. Las baterías Ni-Cd fueron consideradas como una gran alternativa a las baterías de plomo-ácido, ya que su energía específica es aproximadamente el doble. Usan oxihidróxido de níquel en el electrodo positivo y cadmio metálico en el negativo. La reacción global es la siguiente: Cd + 2NiOOH + 2H2O Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2 ; (Ec:3.8); Sus ventajas son: - Alto poder específico. - Gran número de ciclos de vida aproximadamente 1500 ciclos. - Capacidad para trabajar en un amplio rango de temperaturas. - Buen almacenaje a largo plazo. - Han sido desarrolladas para cargas rápidas. Por contra, sus principales desventajas son: -El Cadmio es un metal pesado muy tóxico, por lo que estas baterías han sido prohibidas en la Unión Europea. - Baja densidad energética (60Wh/kgr.) - Se ven afectadas por el efecto memoria. - Por su baja eficiencia de carga a altas temperaturas, deben ser enfriadas antes de cargarse. - Alto coste del Níquel y del Cadmio. 3.2.2.- Ni-MH: Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 72 Proyecto Fin de Carrera Las baterías de Ni-MH tienen un funcionamiento similar a las de Ni-Cd pero cuentan con la ventaja de que en el electrodo negativo se usa hidrógeno en forma de hidruro metálico, con lo que se elimina la utilización del cadmio. El funcionamiento de este electrodo negativo es igual que el de una pila de combustible. La reacción global es: MH + 2NiOOH M + 2Ni (OH)2; (Ec: 3.9); Están consideradas como una de las mejores opciones de futuro, sus principales ventajas y desventajas son: Ventajas: - Notable aumento de la energía específica respecto a las baterías Pb-ácido (unos 70 Wh/kg). - Admiten recargas rápidas (1-3 horas). - Bajo impacto ambiental por la eliminación del cadmio y el plomo. - No necesitan mantenimiento. Desventajas: - Moderadas prestaciones electroquímicas, especialmente a elevadas intensidades de corriente. - Corrosión de los hidruros metálicos durante el reciclaje. - Moderado número de ciclos (300-600). - Precio elevado. De 2 a 3 veces más caras que las de Pb-ácido. - Se ven afectadas por el efecto memoria, aunque en menor proporción. Actualmente, más de 2 millones de coches híbridos funcionan con estas baterías, por ejemplo, Toyota Prius, Honda Insight, Honda Civic Híbrido, Ford Escape y Chevrolet Malibu Híbrido. La mayoría de estas baterías están fabricadas por PEVE (Panasonic) y Sanyo bajo licencia de ECD/Cobasys. También llevan estas baterías los PHEV General Motors EV1 y el Honda EV Plus. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 79 Proyecto Fin de Carrera Ceramics EESU Ni MH Plomo-Acido (gel) Ión-Litio Peso ( Kg) 135 780 1655 340 Volumen (pulgada cúbica) 4493 17881 43045 5697 Ratio de descarga 0.02% /30días 5%/30días 1%/30días 1%/30días Tiempo de carga para EV(lleno)-100%carga 3-6 minutos >3horas 3-15 horas >3horas Pérdida de vida con los ciclos Nada Alto Muy Alto Alto Materiales Tóxicos Nada Si Si Si Temperatura vs Efecto en almacenamiento de energía Despreciable Alta Muy Alta Alta Coste por Kwh Bajo Medio Bajo Muy Alto Tabla: 3.2; Especificaciones técnicas: EEStor vs otras tecnologías de baterías. A continuación, en la siguiente tabla: 3.3; se muestran las distintas baterías y su fabricante más común, su aplicación y sus características. En ella se observa, que efectivamente, las baterías de Ión Litio son las de mayor potencia específica. Batería Aplicación Ah V Wh/Kg Resistencia (mΩ) W/Kg SOC útil Plomo- Ácido Panasonic HEV 25 12 26.3 7.8 389 28% Panasonic EV 60 12 34.2 6.9 250 --- NiMH Panasonic Ev EV 6.5 12 68 8.7 240 --- Panasonic Ev HEV 6.5 7.2 46 11.4 1093 40% Ovonic EV 85 13 68 10 200 --- Ovonic HEV 12 12 45 10 1.000 30% Saft HEV 14 1.2 47 1.1 900 30% Ion-litio Saft HEV 12 4 77 7.0 1550 20% Saft EV 41 4 140 8.0 476 --- Shin-kobe EV 90 4 105 0.93 1344 --- Shin-kobe HEV 4 4 56 3.4 3920 18% Tabla: 3.3; Características de varias tecnologías/tipos de baterías para uso en EV y HEV En la figura: 3.4; se muestran las capacidades de algunos sistemas de almacenamiento. En baterías avanzadas se incluyen las de Plomo ácido, Ni-Cd e Ion- Litio. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 80 Proyecto Fin de Carrera La capacidad del sistema viene determinada por la densidad de energía, la potencia de los dispositivos y el tiempo de descarga. Figura: 3.4, Capacidades de los sistemas de almacenamiento. En la figura: 3.5; se presenta el coste de la energía almacenada por esos sistemas a día de hoy. Gráfica: 3.5. Coste de la energía almacenada. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 81 Proyecto Fin de Carrera ANEXO D: CICLOS DE CONDUCCIÓN Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 82 Proyecto Fin de Carrera 1.-INTRODUCCIÓN Una cuestión importante para valorar si el vehículo es factible es conocer su autonomía. Este es un punto crítico en la búsqueda de soluciones alternativas a los motores de combustión. Para tratar de conocer el rango de kilómetros que se pueden recorrer con un vehículo existen dos tipos de test: 1. Test a velocidad constante: Muy simple pero nada realista, por lo que no suele ser utilizado. 2. Test realista: Con cambios de velocidad, aceleraciones y frenadas; situaciones que se aproximan a la conducción habitual. Estos test realistas se crearon con la idea de prever las emisiones contaminantes de los vehículos y también se usan para conocer la autonomía de los vehículos. Para realizar la simulación, el vehículo seguirá uno de estos ciclos, puesto que los datos facilitados por los fabricantes son extraídos de realizar un ensayo en un banco de pruebas siguiendo alguno de ellos. Están regulados en la Unión Europea, en Estados Unidos y en Japón y son los denominados ciclos de conducción estándar (Standard driving cycles). Estos ciclos se realizan siempre suponiendo que el coche circula en llano. [9,10] Los hay de dos tipos, ciclos transitorios (transient cycles) que son ciclos que tratan de representar la realidad de manera fidedigna y los ciclos modales (modal cycles) que son ciclos teóricos, basados en tramos de aceleraciones y velocidades constantes. Los transitorios son más empleados en los Estados Unidos y por contra, los modales lo son en Europa y Japón. 2.- CICLOS DE CONDUCCIÓN ESTÁNDAR DE ESTADOS UNIDOS Son los ciclos más realistas pero por ello son los más difíciles de simular, ya que para cada segundo se tiene una velocidad del vehículo distinta. Uno de los primeros que hubo fue el ciclo LA-4 basado en el flujo de tráfico de Los Ángeles y desarrollado en la década de los 70 del siglo XX. Actualmente, se utilizan los ciclos FTP 72, SFUDS, FTP 75, HFEDS, IM 240,LA-92, NYCC y US 06. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 83 Proyecto Fin de Carrera 2.1.- FTP 72 Es el antiguo ciclo LA-4, también denominado FUDS o UDDS. Es un ciclo de conducción urbana que tiene una duración de 1369 segundos y consiste de una serie de varios ciclos transitorios (cada uno de diferente duración) en el primero de los cuales se alcanza una velocidad máxima aproximada de 55 km/h y en el segundo se llega a la velocidad máxima del ciclo (91,2 km/h). La ruta simulada consta de 12,07 km y la velocidad media es de 31,5 km/h. Se representa en la figura 2.1. Figura:2.1; Ciclo de conducción FTP 72 2.2.-SFUDS Es una versión simplificada del FTP 72 con las mismas proporciones de aceleraciones y frenadas y una duración de 360 segundos. Se representa en la anterior figura 2.2. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 84 Proyecto Fin de Carrera Figura: 2.2; Ciclo de conducción SFUDS 2.3.- FTP 75 Es igual al FTP 72 pero se le añade al final del proceso una repetición de los primeros 505 segundos de éste. Son 1874 segundos a una velocidad media de 34,1 km/h y se representa en la siguiente figura 2.3. Figura: 2.3, Ciclo de conducción FTP 75 2.4.- HFEDS Ciclo que representa una conducción mixta por carreteras extraurbanas y por autopistas durante 765 segundos a una velocidad media de 77,7 km/h. Prácticamente ha Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 85 Proyecto Fin de Carrera dejado de usarse porque la velocidad máxima no es realista para una autopista (en torno a 100 km/h).Su sustituto ha sido el ciclo US 06.En la siguiente figura se puede ver el ciclo HFEDS. Figura: 2.4, Ciclo de conducción HFEDS 2.5.- IM 240 Es un ciclo usado en inspecciones. Sólo se utiliza para medir emisiones de los vehículos durante los mantenimientos periódicos. Dura 240 segundos a una velocidad media de 47,3 km/h, una velocidad máxima de 91,2 km/h y se representa en la siguiente figura 2.5. Figura2.5: Ciclo de conducción IM240. 2.6.- LA-92 Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 86 Proyecto Fin de Carrera Es una actualización del ciclo FTP 72 llevada a cabo en 1992 adaptándolo a las circunstancias del momento. La velocidad media es mayor (39,6 km/h) y dura 1435 segundos. También se denomina UCDS o UC. Se representa en la siguiente figura 2.6. Figura2.6: Ciclo de conducción LA-92 2.7.- NYCC Representa una ruta urbana por la ciudad de Nueva York. Destaca por su baja velocidad media, ya que es una ciudad con grandes problemas de densidad de tráfico. 598 segundos a una velocidad media de 11,4 km/h y un pico máximo de 44,6 km/h. En la siguiente figura 2.7, se representa el primer ciclo. Figura: 2.7, Ciclo de conducción NYCC. 2.8.-US 06 Representa una conducción agresiva por autopista, con grandes aceleraciones y frenadas. Son 596 segundos a una velocidad media de 77,9 km/h y una velocidad máxima de 129,2 km/h. En la siguiente figura 2.8, se representa el ciclo. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 87 Proyecto Fin de Carrera Figura: 2.8, Ciclo de conducción US 06. 3.- CICLOS DE CONDUCCIÓN ESTÁNDAR DE JAPÓN A diferencia de los ciclos estadounidenses, los ciclos japoneses son muy teóricos y se ajustan menos a la realidad. Poseen periodos a velocidad constante y las aceleraciones y deceleraciones también se realizan de un modo constante que nada se ajusta a la realidad. Los más empleados son los ciclos modo 10, modo 15 y modo 10-15. Además, los ciclos japoneses destacan por las bajas velocidades a las que se realizan. En 2005 se aprobó un nuevo test, mucho más realista y similar a los estándares estadounidenses, el JC08. Tras un periodo de transición, a partir de octubre de 2011 será el test a realizar para medir las emisiones en Japón sustituyendo al modo 10-15, ya que es más exigente que el 10-15 y está más adaptado a la actual situación. 3.1.-Modo 10 Ciclo que representa una conducción urbana durante 135 segundos. La velocidad media es de 17,7 km/h y la máxima de sólo 40 km/h. Actualmente está en desuso pero es importante conocerlo debido a que forma parte del ciclo 10-15, el más utilizado hasta la primera década del siglo XXI. Se puede ver el ciclo modo 10 en siguiente figura 3.1. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 88 Proyecto Fin de Carrera Figura: 3.1; Ciclo de conducción Modo 10 3.2.- Modo 15 Ciclo que representa una conducción mixta entre urbana y extraurbana. La velocidad máxima es de 70 km/h y su duración de 230 segundos. En la siguiente figura 3.2, se ve representado. Figura: 3.2, Ciclo de conducción Modo 15 3.3.- Modo 10-15 Ciclo que combina una primera fase modo 15, seguida de tres fases modo 10 y una última fase en modo 15 nuevamente, con una duración total de 830 segundos. Hasta 2011 es el ciclo usado para evaluar emisiones contaminantes y la autonomía de los vehículos en Japón. En la siguiente figura 3.3, se ve la combinación de los ciclos. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 95 Proyecto Fin de Carrera - Implicar a empresas del sector privado en la introducción del vehículo eléctrico: empresas eléctricas, empresas de seguros y de financiación (renting, leasing y otros), etc. - Servir como base para la identificación e impulso de medidas normativas que favorezcan esta tecnología: medidas fiscales en la compra o uso de estos vehículos, tarifas de suministro, modificación de normas que impidan su evolución (acceso a puntos de recarga en viviendas comunitarias, homologación) etc. 3.- DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO El proyecto consiste en poner a disposición de un conjunto de usuarios específicos los medios y la infraestructura necesaria para acceder a la Movilidad Eléctrica Urbana con garantías y fiabilidad. A partir de este objetivo básico, se persigue evaluar la experiencia de estos usuarios e identificar las barreras para un futuro desarrollo a mayor escala. Por otra parte, el proyecto y su monitorización, obtendrán un conjunto de valores informativos que permitirán una difusión posterior de resultados, con un claro valor de promoción institucional de la eficiencia energética del transporte en entornos urbanos y metropolitanos. El proyecto va dirigido a todo tipo de usuarios, aunque los objetivos básicos del mismo determinarán la necesidad de centrar los esfuerzos en flotas: - Particulares que realicen desplazamientos habituales durante la semana laboral, con recarga es garajes privados o estaciones públicas de recarga. - Empresas privadas, con aplicaciones en reparto urbano y uso general del vehículo, con recarga en recintos privados de la propia empresa. Entre las potenciales empresas privadas usuarias estarían las empresas de seguridad, servicio o reparto de mercancías. - Instituciones públicas, con amplia diversidad de usos y aplicaciones y recarga en el emplazamiento de la propia institución, tales como el Parque Móvil del Estado, Policía Municipal, Correos, etc. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 96 Proyecto Fin de Carrera Figura: 3.1; Esquema del desarrollo del proyecto. Para fomentar la participación de usuarios en el proyecto, se ofrecen dos tipos de instrumentos económicos: - Ayudas para la adquisición de los vehículos. Se procederá a la elaboración de un catálogo de vehículos incluidos en el Proyecto, basado en las especificaciones requeridas por los potenciales usuarios y contando con la mayor participación de fabricantes e importadores. Se pretende cubrir diversas categorías de vehículos, desde motocicletas eléctricas, hasta furgonetas de reparto urbano, determinando la ayuda en función de la eficiencia energética del vehículo. - Ayudas para la creación de la infraestructura de recarga necesaria. En el despliegue de la infraestructura intervendrán:  Administración local, instalando infraestructura pública de recarga.  Empresas privadas e instituciones públicas, instalando su propia infraestructura de recarga.  Empresas eléctricas, facilitando asistencia para la instalación de puntos de recarga en lugares públicos y privados. Asimismo, durante la ejecución del proyecto se considerará el apoyo de empresas de financiación de vehículos (renting o leasing) empresas de seguros de automóviles, clubes de conductores y e instituciones de homologación de vehículos. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 97 Proyecto Fin de Carrera 4.- BASES DEL PROYECTO El enfoque propuesto es cubrir los siguientes elementos: - Vehículos eléctricos. - Infraestructura y servicios de recarga. - Servicios de movilidad (usuarios potenciales). Los vehículos que inicialmente se podrían incluir en el proyecto piloto son de diversas categorías: desde motocicletas eléctricas, hasta furgonetas de reparto urbano, incluso microbuses. Todos se deberán caracterizar por su calidad y fiabilidad y, sobre todo, porque en prestaciones y capacidades permiten desplazar/sustituir un vehículo de combustión en condiciones normales de operación. La definición de los vehículos susceptibles de ser incorporados al Proyecto (Catalogo Movele) será consecuencia del cumplimiento de unas especificaciones mínimas y máximas desarrolladas con el mayor consenso posible de los fabricantes y con las demandas de los potenciales usuarios, buscando también el mayor efecto energético posible. Las ayudas previstas para la adquisición de estos vehículos serán acordes con criterios de eficiencia (prestaciones, autonomía, consumo, etc.) de forma que se incentive de forma efectiva la movilidad eléctrica frente a la convencional. Para ello, sobre la base de la capacidad de respuesta del mercado al proyecto, de definirá un marco de apoyos al efecto. Dentro de la propuesta, con vistas a su mayor fiabilidad técnica, se incluirá la opción de adquirir los vehículos eléctricos y dejar el mantenimiento de las baterías como elemento de alquiler, lo que puede garantizar un uso y gestión óptima del suministro. Finalmente, como elemento básico del proyecto, se incluirá la instalación de diversos modelos de estaciones de recarga con capacidad en función de la demanda existente por parte del usuario de gestionar la propia recarga. 4.1.-Participes del proyecto Los diferentes intervinientes en el desarrollo del proyecto: - IDEA: responsable del proyecto y soporte institucional de la actuación como responsable de la política de eficiencia energética. Apoya económicamente en la adquisición de vehículos a las empresas e instituciones, según criterios de iniciativas similares y la creación de una infraestructura de puntos de recarga públicos. Se dispondrá de una asistencia técnica para la gestión del proyecto dentro del Departamento de Transporte de la IDEA. - Administración local: soporte local que facilita la instalación de puntos de recarga y adquisición de vehículos como usuario. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 98 Proyecto Fin de Carrera - Empresas eléctricas: asistencia técnica y apoyo en la instalación de puntos de recarga en lugares públicos y privados, suministro de energía eléctrica en el periodo de prueba y adquisición de vehículos como usuarios. - Fabricantes e importadores de vehículos: aprovisionamiento de vehículos y puntos de recarga, servicio posventa, mantenimiento y garantías. - Usuarios de vehículos: a partir de la Convocatoria Pública de las ayudas asociada al Programa MOVELE, se identificarán un conjunto de potenciales usuarios interesados en utilizar los vehículos del proyecto en uso real. Estos usuarios asumirán determinados compromisos sobre las condiciones de utilización de los vehículos que serán definidos en la Convocatoria (incidencia, suministro de información sobre movilidad, consumo energético, etc.) - Otras empresas: en este ámbito se deberían considerar los apoyos de empresas de financiación de vehículos (renting, leasing, etc.), empresas de seguro del automóvil, clubes de conductores e instituciones de homologación de vehículos. 4.2.- Fases del proyecto Para llevar a cabo esta iniciativa, cuyo desarrollo deberá responder a las capacidades y forma de actuación de la IDEA, será necesario llevar a cabo un conjunto de tareas específicas que permitan lanzar la convocatoria de ayuda pública a aquellas empresas, instituciones y particulares objetivo de estas formas de movilidad: Fase I: estudios, recopilación de información, reuniones con fabricantes de vehículos, coordinación con otras instituciones implicadas, etc., destinadas a conocer con mayor precisión las posibilidades de alcance del proyecto en el plazo temporal del mismo. Fase II: elaboración, publicación, presentación y evaluación de las distintas partes que van a componer la Convocatoria Pública de apoyos a este proyecto. Fase III: lanzamiento del proyecto, gestión de las ayudas acordadas por IDAE a los usuarios e instaladores de cargadores, recepción y valoración de la información recibida de los diferentes partícipes del proyecto, seguimiento de resultados, valoración de obstáculos, etc. Fase IV: análisis y evaluación de resultados, conclusiones y propuestas de desarrollo de normativas que apoyen esta movilidad. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 99 Proyecto Fin de Carrera 4.3.- Presupuesto del proyecto Con base a las escasas experiencias previas, el presupuesto define los diferentes conceptos que cubrirá el proyecto en su horizonte temporal. El capítulo más destacado serán los apoyos públicos a la inversión para alcanzar un conjunto de al menos, 2.000 vehículos eléctricos y un número mínimo de 500 puntos de recarga públicos. Estos apoyos públicos irán destinados a incentivar la creación de una oferta de estas tecnologías y generar una demanda por parte de los usuarios que permitan alcanzar los objetivos estratégicos, energéticos y tecnológicos perseguidos por el proyecto. Estas ayudas serán generadas por el proyecto, mediante una fórmula de cálculo que recoja la mayor eficacia de los diferentes vehículos en función de la demanda de movilidad que se persigue cubrir con el proyecto piloto. Del mismo modo, dentro de los apoyos se recogerá la creación de unas condiciones favorables que permitan construir y operar una red de estaciones de suministro de energía eléctrica para hacer viables, técnicamente, el uso de los mismos. Finalmente, dentro del presupuesto se incluyen los gastos de gestión, seguimiento y evaluación de resultados, así como la posibilidad de ejecutar otros proyectos de menor rango, consecuencia de los citados resultados. En resumen, se estima que los costes totales del proyecto para un periodo de 24 meses, se eleva a 10.000.000 € por estos diferentes conceptos. 4.4.- Impacto energético y medioambiental La puesta en circulación de 2.000 vehículos eléctricos en un entorno urbano, sustituyendo un número similar de vehículos impulsados con gasolina y gasóleo, supone la reducción del consumo en estos productos por valor de 4.672.000 litros/año, equivalente a 4.282 tep/ año en energía primaria. El consumo asociado a la movilidad eléctrica se estima en 7.008.000 Kwh/año, con una equivalencia de 1.510 tep/año en energía primaria. En consecuencia, de alcanzar los objetivos del proyecto MOVELE en el periodo planteado, se obtendría un ahorro energético total de 2.772 tep/año en energía primaria. Por otra parte el balance de emisiones de CO2, atendiendo a los valores de emisión media actual del mix eléctrico (411,5 g/Kwh generado) supone la reducción de estos gases en 4.471 tCO2/año. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 100 Proyecto Fin de Carrera 4.5.- Extrapolación de resultados La mayor eficiencia energética de los motores eléctricos frente a los motores de combustión interna, unido a la mejora de la eficiencia energética el mix de generación eléctrica en España con la incorporación de nuevas tecnologías renovables y ciclos combinados de gas natural, permitan afirmar que la movilidad eléctrica sustitutiva de los vehículos convencionales impulsados con productos derivados del petróleo, genera un destacado ahorro energético, reduce la dependencia energética exterior y conlleva ventajas medioambientales en forma de reducción de emisiones contaminantes. De acuerdo a los datos de un reciente estudio elaborado por el Departamento de Transporte de IDAE “Estimación del impacto energético y medioambiental de la introducción del vehículo eléctrico en los entornos urbanos de España” de fecha Febrero 2008, considerando la renovación de la flota en los términos expresados en la siguiente tabla:4.1; se obtendría un ahorro energético de productos derivados del petróleo de 555 ktel/año (equivalente a 1.633.433 litros diarios) y una reducción de las emisiones de 866 KtCO2/año. Año Coche Furgoneta Moto Autobús 2015 1% 1% 3% 5% 2020 5% 5% 8% 12% 2030 10% 10% 15% 20% Tabla: 4.1; Hipótesis de introducción de Vehículos Eléctricos. A partir de estas hipótesis de sustitución, se obtendrían los siguientes valores cuantitativos de vehículos, en los diferentes horizontes temporales, Tabla 4.2 Año Energía diaria demandada (Kwh) Nº de coches eléctricos Nº de furgonetas eléctricas Nº de motos eléctricas Nº de autobuses eléctricos 2015 1.044.565 68.564 15.491 16.678 463 2020 4.860.179 354.019 79.789 45.927 1.148 2030 10.004.415 733.418 167.218 89.200 1.982 Tabla: 4.2; Hipótesis de valores cuantitativos de VE en el horizonte temporal. Uno de los elementos más destacados de este cambio tecnológico favorable a la movilidad eléctrica es el hecho de que la carga nocturna de los vehículos incide de manera positiva en la estabilización del sistema eléctrico, reduciendo las diferencias entre los periodos punta y valle, y permitiendo en consecuencia la introducción de mayor potencial de energías renovables en los momentos de menos demanda. Poe tanto se podría afirmar que este cambio hacia la movilidad eléctrica, favorece la introducción de las tecnologías renovables de generación, que, a su vez, suponen una mejora de la eficiencia energética global del sistema eléctrico, lo que beneficia a la propia recarga de vehículos eléctricos. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 101 Proyecto Fin de Carrera 4.6.- Desarrollo de infraestructuras públicas de recarga. Uno de los requisitos para el éxito del Proyecto MOVELE es la localización de aquellas ciudades que puedan ofrecer a priori mejores condiciones para el uso e implantación de los vehículos eléctricos, así como el apoyo para la creación de unas condiciones favorables que permitan construir y operar una red de estaciones de suministro de energía eléctrica que haga técnicamente posible el uso de los mismos. La existencia de estas condiciones favorables de debe valorar desde varios puntos de vista: - Disposición por parte de los municipios a crear una red de estaciones de recarga en su entorno urbano, siendo un elemento de selección geográfico la existencia de proyectos municipales de creación de esta red de suministros. - Existencia de incentivos municipales a la movilidad eléctrica, con lo que se compense los gastos adicionales en comparación con la movilidad tradicional. - Políticas de continuidad con apoyo municipal, con el fin de dar credibilidad a los beneficios económicos destinados a esta alternativa de movilidad. Con estas premisas, IDAE procedió a invitar aquellos municipios con una población superior a 300.000 habitantes, a darle a conocer su interés en este tipo de proyectos a fin de llevar a cabo Convenios de Colaboración para apoyar económicamente los proyectos que resulten mejor valorados, con la intención de no sobrepasar el número de 4 municipios y la dotación de 1,5 millones de Euros. Las ciudades que manifestaron su interés en el proyecto piloto fueron: Madrid, Barcelona y Sevilla. La puesta en marcha en estas ciudades supone la instalación de 546 puntos de recarga para vehículos eléctricos, 193 cubiertos y 353 en las vías públicas. La inversión en estos 3 proyectos asciende a 2.559.164 Euros con una aportación de la IDAE de 1.017.000 Euros. 4.7.- Vehículos Incentivables Los vehículos susceptibles de recibir apoyo serán aquellos vehículos nuevos que pertenezcan alguna de estas categorías: motocicletas, cuadriciclos pesados, turismos o comerciales de menos de 6.500 Kgr de MMA y microbuses. Deberán igualmente equipar alguna de estas tecnologías: - Vehículos Eléctricos (BEV): alimentados con baterías recargables de la red general eléctrica. - Vehículos Híbridos Enchufables (PHEV): aquellos vehículos que entre sus diferentes modos de funcionamiento, disponen de capacidad de tracción únicamente eléctrica con una capacidad de acumulación de energía en las Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 102 Proyecto Fin de Carrera baterías mediante alimentación de la red general eléctrica tal, que la autonomía en modo solo eléctrico sea superior a los 32 Km. - Vehículos Eléctricos de Autonomía Ampliada (REEV): se definen como tal aquellos vehículos que disponen de capacidad de tracción únicamente eléctrica, con una capacidad de acumulación de energía eléctrica en las baterías mediante alimentación de la red general eléctrica tal, que la autonomía en modo solo eléctrico sea superior a los 32 Km. Los vehículos susceptibles de ser apoyados por el Programa Movele deberán de figurar en el Catálogo de Vehículos publicado en la página web de la IDAE. 4.8.- Cuantía de las ayudas La cuantía de las ayudas estará en función de la tipología tecnológica y la categoría de vehículo al que pertenezca, será indicada en el catalogo del Proyecto y será de un 15% o un 20% del precio del vehículo, según los datos técnicos del vehículo se sitúen por debajo o por encima de la curva de eficiencia energética y tendrán un límite en valor absoluto para cada categoría, como se muestra en la tabla 4.3. Categoría ( Según Directivas 2002/24/CE y 70/156/CEE anexo II) SUPERIOR( 20% del precio de venta del vehículo) INFERIOR(15% del precio de venta del vehículo) Motocicletas (L3e) 1.200 € 750 € Cuadriciclos ( L7e) 3.500 € 2.000 € Turismos / comerciales ( M1 y N1) 7.000 € 5.000 € Micorbuses / comerciales (M2 y N2 < 6.500 Kgr.) 20.000 € 15.000 € Híbridos Enchufables ( M1 y N1) 7.000 € 5.000€ Tabla: 4.3; Limites de ayuda según categorías. Los sistemas “a bordo” de seguimiento y monitorización de datos de consumo energético en los vehículos objeto de ayudas, supondrá la ampliación del valor de la ayuda señalado en el Catalogo de un 15 %. Los sistemas de gestión de la demanda, monitorización y análisis de datos en los puntos de recarga de las flotas de vehículos eléctricos objeto de ayudas del programa, tendrán una ayuda máxima de 300 Euros por punto de recarga o el 20% de la inversión asociada a estos sistemas. En las actuaciones mediante arrendamiento, los niveles de ayuda destinados a cada vehículo serán los señalados en el Catalogo para cada modelo, y el objeto de la ayuda será la reducción del esfuerzo financiero de las cuotas de arrendamiento para los arrendatarios. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 103 Proyecto Fin de Carrera Las ayudas previstas en este programa no serán acumulables con aquellas otras ayudas, para el mismo concepto, que se desarrollen en virtud de actuaciones del IDAE y de las Comunidades Autónomas de acuerdo a los convenios de colaboración que implementan medidas de ahorro y de eficiencia energética dentro del Plan de Acción del 2008-2012 de la E4, en particular en lo referido a las diversas órdenes de ayuda de las Comunidades Autónomas para la renovación de flotas de vehículos turismo. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 104 Proyecto Fin de Carrera ANEXO F: FICHA TÉCNICA VEHÍCULOS Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 111 Proyecto Fin de Carrera 2.2.-Vehículos Híbridos Los vehículos híbridos elegidos en el estudio son: Toyota Prius, Seat León Twin Drive. Las fichas técnicas han sido obtenidas del catálogo Movele. [3] Ficha Técnica: Toyota Prius; Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 112 Proyecto Fin de Carrera Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 113 Proyecto Fin de Carrera Ficha Técnica: Seat León Twin Drive; Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 114 Proyecto Fin de Carrera Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 115 Proyecto Fin de Carrera ANEXO G: PLAN NACIONAL DE ENERGÍAS RENOVABLES (PANER) Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 116 Proyecto Fin de Carrera 1.-PLAN DE ACCIÓN DE ENERGÍAS RENOVABLES, ENERGÍA FOTOVOLTAICA. En este apartado se mencionan varios extractos del Plan De Acción Nacional de Energías Renovables, relacionados con la energía fotovoltaica.[15] Plan de Acción Nacional de Energías Renovables (PANER) - Particularidades del sistema de apoyo a la energía solar Fotovoltaica. En agosto de 2007 se superó el 85% del objetivo de incremento de 363 MW previsto para el periodo 2005-2010 en el Plan de Energías Renovables 2005-2010 (PER), por lo que se estableció un plazo de 12 meses en el cual las instalaciones que fueran inscritas en el Registro administrativo de instalaciones de producción en régimen especial (RIPRE) en este periodo tendrían derecho a la tarifa regulada establecida en el R.D. 661/2007, de 25 de mayo. Pasados estos 12 meses, mediante el Real Decreto 1578/2008 se definió un nuevo régimen económico, además de la creación de un Registro de preasignación de retribución para la tecnología fotovoltaica (PREFO), que afecta a las instalaciones que se inscriban definitivamente en el RIPRE a partir de septiembre de 2008. Este nuevo marco se basa en un sistema de cupos crecientes y tarifas decrecientes, que potencia las instalaciones sobre edificaciones. Se establece un cupo de potencia de aproximadamente 500 MW al año, y establece dos tipologías de instalaciones, una para instalaciones sobre edificaciones y otra para instalaciones sobre suelo, cada una con sus correspondientes cupos y tarifas. La tipología de instalaciones sobre edificios contempla dos subgrupos de instalaciones: las menores de 20 kW y las que tienen entre 20 kW y 2 MW, tabla 1.1. La segunda tipología agrupa al resto de instalaciones no situadas sobre edificaciones urbanas, y permite instalaciones con un máximo de 10 MW. Las tarifas descienden alrededor de un 10% anual, dependiendo del modo en que se cubran los cupos asignados. Potencia Tipología de instalaciones TIPO I I.1 P = < 20 kW Cubiertas o fachadas con usos: Residencial, Servicios, Comercial, Industrial, Agropecuario. Aparcamiento de esos usos. (Parcela con REF. Catrastal Urbana) I.2 20kW=< P=<2MW TIPO 2 II P=< 10 MW Resto, no incluidas en TipoI Tabla: 1.1; Grupos definidos en el R.D. 1578/2008 Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 117 Proyecto Fin de Carrera Para asignar la potencia de los cupos, el R.D. 1578/2008 crea un Registro de preasignación en el que se deben inscribir los proyectos fotovoltaicos para conseguir las tarifas correspondientes. Dividido en cuatro convocatorias anuales, una por cada trimestre, el Registro de preasignación garantiza el cumplimiento, sin desviaciones, de la planificación energética. Los proyectos que concurran al Registro deben aportar la autorización administrativa, la licencia de obras, el punto de conexión concedido por la compañía eléctrica y el resguardo de la constitución de aval en la Caja General de Depósitos de 50 €/kW, en el caso de instalaciones en edificación menores de 20 kW, y de 500 €/kW en los demás casos. Al adjudicar los proyectos en cada convocatoria, se tiene en cuenta la fecha más reciente de esos documentos, para ordenar las solicitudes cronológicamente y dar preferencia a las más antiguas. El marco de tarifas y cupos para el año 2009, se muestra en la siguiente tabla1.2: 2009 TIPO 1C 2C 3C 4C TARIFA (c€/ Kwh) I.1 34,0000 34,0000 34,0000 34,0000 I.2 32,0000 32,0000 32,0000 32,0000 II 32,0000 30,7189 29,9113 29,0857 CUPO INSCRITO CUPO INSCRITO CUPO INSCRITO CUPO INSCRITO CUPO MW I.1 6,675 1,669 6,675 3,631 6,675 2,786 6,675 4,670 I.2 60,075 20,916 60,075 31,691 60,075 35,601 60,075 60,104 II 58,250 66,113 94,552 94,718 89,512 90,411 85,620 89,955 Tabla: 1.2; Tarifas y cupos para las 4 convocatorias de 2009; A fecha de este informe se ha resuelto provisionalmente la tercera convocatoria del año 2010 de la cual ya se conocen las tarifas y los cupos. 2010 TIPO 1C 2C 3C TARIFA (c€/ Kwh) I.1 34,0000 33,4652 33,0597 I.2 31,1665 30,3099 29,5200 II 28,1045 27,3307 26,5509 CUPO INSCRITO CUPO INSCRITO CUPO INSCRITO CUPO MW I.1 6,675 6,016 6,653 5,760 6,675 I.2 61,640 62,522 61,439 61,480 61,640 II 50,033 50,894 51,339 52,380 52,105 Tabla: 1.3; Tarifas y cupos para las convocatorias de 2010; En el caso de que para cada tipo se inscriba menos del 75% de su cupo la tarifa correspondiente se mantiene para la siguiente convocatoria, lo que ha ocurrido para los Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 118 Proyecto Fin de Carrera tipos I.1 y I.2. Si se cumple más del 75% la tarifa se reduce proporcionalmente a la potencia inscrita, siendo la reducción cero si se inscribe exactamente el 75% del cupo, y del 2,6% si se inscribe exactamente el 100% del cupo. Esto es lo que ha sucedido en la tipología II. Existe un mecanismo establecido que permite traspasar entre ambos grupos la potencia que pueda sobrar en el caso de que no se llegue a completar alguno de los cupos. De otro extracto del mismo documento extraemos la evolución de la energía solar fotovoltaica. La contribución previsible de energía solar fotovoltaica al cumplimiento de los objetivos vinculantes para 2020 se estima en 14.316 GWh, generados por una potencia instalada acumulada en 2020 de 8.367 MW. El incremento de potencia en el periodo 2011-2020 se estima en 4.346 MW. Se ha considerado la continuidad del marco actualmente vigente, que establece un sistema de cupos y tarifas asociadas para dos tipologías de instalaciones, en edificaciones y en suelo. La estimación de energía generada en este periodo se basa en la suposición de un parque con un 67% de instalaciones fijas en edificaciones y un 33% en suelo con seguimiento. Se ha considerado un desplazamiento progresivo de la ubicación de las instalaciones hacia las zonas con mayor radiación. A partir de 2015 se prevé una penetración creciente de la energía solar fotovoltaica en sistemas para autoconsumo de energía interconectados con la red de distribución y asociados a suministros existentes, según se vaya alcanzando la “paridad” del coste de generación con el coste de la energía para el consumidor, mediante el desarrollo de sistemas basados en los conceptos de balance neto, compensación de saldos de energía etc. 2.-PLAN DE ACCIÓN DE ENERGÍAS RENOVABLES, ENERGÍA MINIEÓLICA. En este apartado mencionamos un extracto del Plan De Acción Nacional de Energías Renovables, donde trata el tema de la energía minieólica. Plan de Acción Nacional de Energías Renovables (PANER)[15] Es un hecho que los parques eólicos de gran potencia son fundamentales para aumentar la contribución de la energía de origen renovable en el sistema eléctrico nacional. Sin embargo, todavía no se ha aprovechado en España la capacidad de la tecnología eólica para aportar energía renovable de forma distribuida, mediante su integración en entornos urbanos, semi-urbanos, industriales y agrícolas, especialmente asociada a puntos de consumo de la red de distribución. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 119 Proyecto Fin de Carrera Las instalaciones eólicas de pequeña potencia tienen una serie de ventajas adicionales respecto a la gran eólica, como una potencial mayor eficiencia global por las pérdidas evitadas en las redes de transporte y distribución, y que permiten la integración de generación renovable sin necesidad de crear nuevas infraestructuras eléctricas. Además, pueden fomentar la implicación ciudadana en la mejora de la eficiencia energética y la lucha contra el cambio climático. Para permitir el despegue de todas estas aplicaciones, es necesario diferenciarlas de la generación masiva de electricidad mediante parques eólicos, facilitando su tramitación administrativa y su conexión a las redes de distribución. Además, es necesario contar con un marco retributivo adecuado, que reconozca sus características diferenciadas en cuanto al estado de la tecnología, costes y ventajas específicas. Con las medidas planteadas para el despliegue de las instalaciones eólicas de pequeña potencia, se espera que la potencia en servicio aumente progresivamente desde los 5 MW en 2011 hasta unos 50 MW/año durante 2015 y los siguientes años hasta 2020. Ello totalizaría unos 370 MW en el período 2011-2020. En resumen, se consideran los siguientes objetivos eólicos en el horizonte 2020: Eólica en tierra: 35.000 MW, desglosados en: – Media y gran potencia: 34.630 MW, incluyendo la repotenciación de los parques eólicos obsoletos. – Pequeña potencia: 370 MW. Eólica Marina: 3.000 MW. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 120 Proyecto Fin de Carrera ANEXO H: ENERGÍA FOTOVOLTAICA Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 127 Proyecto Fin de Carrera Figura: 1.3; La célula solar conectada a una resistencia. Podemos aproximarnos a la ecuación básica de la célula solar razonando que el número de portadores que se generan debe ser igual a la suma de los que se recombinan por el interior más los que se recombinan circulando a través de la resistencia externa. En otras palabras la corriente fotogenerada debe ser igual a la suma de la corriente por el interior del diodo y la que circula por la resistencia. Es decir: I(V) = IIL – ID(V) = IIL - I0 ; (Ec.1.7); Esta ecuación describe bien el comportamiento de la célula, cuyo gráfico genérico, es el recogido en la figura1.4. Figura: 1.4; Curva característica I-V de la célula solar. Esta forma de representación indica que en el plano I-V corresponde al funcionamiento de la célula entregando corriente a una carga bajo tensión positiva; es decir corresponde al funcionamiento del dispositivo como generador de energía. 1.4.- Punto de Máxima Potencia Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 128 Proyecto Fin de Carrera Cuando la energía de la célula solar es suministrada a una carga resistiva, la potencia entregada a la resistencia viene dada por el producto P=IV y existe un punto de funcionamiento (IM , VM) para el que la potencia entregada es máxima. Es el punto de máxima potencia. De la condición de máximo = 0; o bien 0 = d(IV)M= IM dV + VM dI; (Ec.1.8); que también puede escribirse como = - ; (Ec.1.9); que representa una condición general de máximo; que aplicada a una célula solar descrita por la (Ec.1.7). I(V) = IIL – ID(V) = IIL - I0 ; y derivando esta ecuación ; (Ec1.10) De la condición (Ec.1.9) = = - y obtenemos =- ; que sustituida en la (Ec.1.7) en el punto M IM = IIL - IM + I0 y de aquí IM + IM ; Y se obtiene alfinal que: IM = (Ec.1.11); Que junto con la ecuación de la célula (Ec.1.7); IM = IIL - I0 ; (Ec.1.7); Forman un sistema del que pueden calcularse IM y VM ; en la figura .1.5. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 129 Proyecto Fin de Carrera Figura: 1.5; Punto de máxima potencia. 1.5.- Efectos de la iluminación y la temperatura. Las condiciones de operación de una célula solar varían a lo largo del tiempo. Así la intensidad de la iluminación puede variar entre 0 W/m2 a 1000 W/m2, mientras que la temperatura de operación de las células puede oscilar entre la temperatura ambiente y unos 40º C por encima de ella. La intensidad de iluminación o irradiancia G afecta linealmente a IIL y ISC y afecta muy poco a VOC, ver figura1.6, por lo que en la práctica de la ingeniería fotovoltaica, VOC se considera constante. Figura: 1.6; Evolución de I-V con la irradiancia G. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 130 Proyecto Fin de Carrera Por otro lado la temperatura de operación afecta poco, en el caso del silicio, a la corriente de cortocircuito ISC ; así el valor de ISC (70º C) es un1,5% superior al de ISC(20Cº). Hemos visto que la temperatura facilita los mecanismos de recombinación de portadores, por lo que es de esperar que los incrementos de aquella sean en detrimento del valor de VOC; de hecho (Ec.1.4 ó Ec.1.6) = -2,3 mV/ºC; ver figura 1.7. Figura: 1.7; Evolución I-V con la temperatura de célula TC. La tensión de circuito abierto VOC disminuye a razón de 0,4% por cada grado que aumenta la temperatura; esta disminución se refleja en la potencia máxima PM, y con ello en la eficiencia de la célula solar: (Ec.1.12); 1.6.- Parámetros Característicos de la Célula Solar. Una célula solar se caracteriza por los parámetros medidos en condiciones estándar y que corresponden a una irradiancia de 1000 W/m2 una masa de aire (AM) o distribución espectral de 1,5 y una temperatura de célula (TC) de 25ºC. La masa de aire ó distribución espectral es la relación entre el camino que recorren los rayos directos del Sol a través de la atmósfera para llegar a la superficie receptora y el que recorrerían en caso de incidencia normal y superficie al nivel del mar. Consideraciones geométricas llevan a que. AM = ; (Ec.1.13); Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 131 Proyecto Fin de Carrera Siendo la distancia cenital, es decir, el ángulo formado por la dirección del Sol y la vertical (cénit) del lugar. Los parámetros recogidos son: - Potencia nominal o potencia máxima PM ;PMP ó PMPP (maximun power point) en Watios pico (WP). - Voltaje a potencia nominal VM ;VMP ó VMPP en Volts (V) - Intensidad a potencia nominal IM ;IMP ó IMPP en Amperios (A) - Tensión de circuito abierto VOC en Volts (V) - Intensidad de cortocircuito ISC en Amperios (A) - Eficiencia η en % También es habitual presentar estos parámetros para las condiciones normales de operación de la célula (NOCT) y que corresponden a una irradiancia de 800 W / m2 una masa de aire (AM) o distribución espectral de 1,5, una velocidad del viento de 1 m/s y una temperatura ambiente (T) de 20ºC. En este caso los parámetros recogidos son: - Potencia nominal o potencia máxima PM ;PMP ó PMPP (maximun power point) en Watios pico (WP). - Voltaje a potencia nominal VM ;VMP ó VMPP en Volts (V) - Tensión de circuito abierto VOC en Volts (V) - Intensidad de cortocircuito ISC en Amperios (A) - Temperatura de la célula en ºC TNOCT También se suelen incluir los coeficientes de variación con la temperatura: - Coeficiente variación de Potencia TK(PM) en % / ºK - Coeficiente variación de Tensión de circuito abierto TK(VOC) en mV / ºK - Coeficiente variación de Corriente de cortocircuito TK (ISC) en mA / ºK 1.7.- Estructura de la Célula Solar La estructura de una célula solar convencional puede verse en la figura1.8. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 132 Proyecto Fin de Carrera Figura: 1.8; Estructura de una célula de silicio convencional. Prácticamente todas las células solares disponibles en la actualidad están constituidas por una unión p-n. En las células de silicio, la unión se consigue difundiendo una capa de fósforo en una oblea de silicio originalmente toda ella impurificada con boro; la capa difundida es muy superficial con espesores de 0,2μm a 0,5μm, esta es la zona “n”. El contacto eléctrico sobre la cara iluminada, que es la cara difundida, ha de hacerse de tal forma que deje al descubierto la mayor parte de su superficie, a fin de que penetre la luz en el semiconductor, pero proporcione a la vez una baja resistencia eléctrica. La solución de compromiso adoptada consiste en utilizar contactos en forma de peine, aún así se produce una pérdida del orden del 3%, por el contrario el contacto eléctrico sobre la cara no iluminada cubre toda el área. Habitualmente la cara iluminada se cubre también con una capa de material antirreflectante para aumentar el porcentaje de energía solar absorbida por la célula. El mercado ofrece varios tipos de células, de acuerdo con su mayor a menor eficiencia de conversión tenemos: Monocristalinas, policristalinas, capa fina de diseleniuro de cobre e indio (CIS), capa fina de teluro de cadmio (CdTe) y de silicio amorfo. En general el proceso de elaboración de células monocristalinas, parte de una colada de silicio ultrapuro del 99,999% (silicio grado electrónico) y se hacen crecer monocristales sin dislocaciones en la red, introduciendo el silicio en un crisol junto con impurezas de boro, formando una masa fundida a 1400ºC, entonces se dispone una varilla, que gira lentamente, cuyo extremo tiene un germen de silicio y que al ponerse en contacto con la masa inicia el proceso de cristalización; esta varilla se va extrayendo y va solidificando un tocho metálico de un diámetro relacionado con la velocidad de extracción y giro de la varilla, (método Czochralsky). En la elaboración de células policristalinas se recurre al procedimiento de bloque fundido y enfriado de forma Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 133 Proyecto Fin de Carrera controlada lo que origina cristales orientados irregularmente. En la elaboración de células a partir de silicio amorfo, se aplica vaporizando silicio sobre un material base que puede ser vidrio o material flexible, los espesores son reducidos y se habla entonces de células elaboradas en tecnología de capa fina. En la elaboración de células monocristalinas, primero se obtienen bloques de silicio de sección circular que se cortan en discos de entre 200μm a 300μm de grosor (obleas). Estos discos de brillo plateado constituyen la base de la célula. Para mejorar la integración en la construcción del panel, las células redondas, son recortadas, con obtención de abundante residuo (se llega a desperdiciar hasta un 40% de material) consiguiendo una forma más o menos cuadrada de 5” a 6” de lado (una pulgada son 25,4 mm); se completa el proceso con el dopaje de la cara superior, la incorporación de la capa antirreflectante y de los contactos metálicos anteriores y posteriores, que suelen ser de aluminio o cobre. Este tipo de células, fabricadas industrialmente, tienen grados de eficiencia de entre el 12 al 17%. La compañía Sun Power está comercializando una célula (módulo) de silicio monocristalino, con optimización de la rejilla de contacto anterior, lo que, mejora en un 1% las pérdidas por sombreado debidas a la rejilla y produce una eficiencia del 18%, hay que tener en cuenta que en laboratorio la máxima eficiencia conseguida para este tipo de células es del 24%. El hecho de que este rendimiento sea bajo, se debe a los siguientes factores: - Energía de los fotones incidentes: No todos los fotones que contiene la energía de la luz solar disponen de suficiente energía como para romper el enlace covalente y crear el par electrón-hueco. Y también se da el caso contrario, si el fotón incidente tiene más energía de la necesaria, el exceso se disipa en forma de calor. Un 50% de la energía incidente en nuestra célula fotovoltaica se pierde sin producir electricidad. -Pérdidas por recombinación: El hecho de que parte de los electrones liberados por los fotones ocupen de nuevos huecos vecinos (recombinación) hace que la tensión de vacío VOC disminuya desde aproximadamente 1,12 V (tensión teórica) hasta la obtención de valores de 0,5 V a 0,6 V de tensión de circuito abierto. Recordemos, como hemos comentado anteriormente que el proceso de fabricación incide sobre estas pérdidas y la temperatura. Por el efecto recombinación un 15% de la energía incidente en nuestra célula fotovoltaica se pierde sin producir electricidad. - Pérdidas por reflexión: Con la utilización de recubrimientos antirreflectantes en la célula solar de silicio, conseguimos que sólo un 9% a un 10% de la energía incidente se pierda. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 134 Proyecto Fin de Carrera - Pérdidas por los contactos eléctricos: Parte de la superficie de captación de radiación se ve obstruida por la rejilla metálica. Las pérdidas pueden evaluarse entre un 6% al 7% y dependen del diseño de los contactos frontales de la célula. La empresa “Sun Ware” ha conseguido un diseño en que la rejilla eléctrica penetra más en el material activo, disminuyendo el grosor frontal y alcanzando una mejora del 1%. - Pérdidas por resistencia serie: Son las debidas al efecto Joule que se produce al circular la corriente eléctrica. Representan un 2% a 3% del total de la radiación. Sumando los distintos valores de pérdidas, se obtiene que, industrialmente, la eficiencia real de la célula solar no pueda superar el 18%, siendo habituales valores de 12% a 16%. En la siguiente tabla 1.1. Se muestra una comparación entre los diferentes tipos de células. Tipo de célula Estructura Eficiencia laboratorio % Eficiencia Industrial % Superficie Necesaria para 1KWp Nivel de desarrollo Monocristalina Cristalina Uniforme “monocristal” 24 13-17 7-9 m2 Industrial Policristalina Cristalina Uniforme “Secciones” 18 11-15 9-11 m2 Industrial Capa fina CIS Tecnología capa fina 18 10-12 11-13 m2 Industrial Capa fina CdTe Tecnología capa fina 17 9-10 13-14 m2 Industrial Amorfa Atomos desordenados Capa fina 11-12 5-8 16-20 m2 Industrial Tabla 1.1; Tipos de células fotovoltaicas. En nuestro proyecto emplearemos células y paneles elaborados a partir de silicio cristalino por su mayor eficacia y menor superficie necesaria de captación por kWp. 1.8.- El Módulo o Panel Fotovoltaico. La intensidad de corriente de una célula solar depende linealmente de la radiación incidente y del tamaño de la célula. El voltaje de la célula apenas varía con la variación de radiación, es dependiente con la temperatura de la célula y es específico del tipo de material; así en el caso del silicio es de alrededor de 0,5 V a 0,6 V, si no hay variaciones de temperatura. De este modo, para su aprovechamiento técnico sólo puede Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 135 Proyecto Fin de Carrera lograrse un incremento de voltaje mediante la conexión en serie de varias células solares, formando el módulo ó panel solar fotovoltaico. En la fabricación de módulo o panel solar fotovoltaico se interconectan eléctricamente varias células solares para lograr, ya en la salida de un módulo individual, voltajes e intensidades de corriente útiles. Las células se conectan en serie para aumentar el voltaje o en paralelo para aumentar la intensidad de la corriente asimismo, los parámetros eléctricos de las células conectadas deben estar comprendidos en un rango estrecho para evitar las descompensaciones que se producirían en el interior del módulo si unas células generaran más corriente que las vecinas. Son importantes los test de certificación dentro de su proceso de producción, las más importantes son la IEC 61.215:2005 y la IEC 61.730:2004. Cada serie de células solares está protegida mediante un diodo by-pass para evitar, en caso de sombreado de células individuales, daños o defectos por calentamiento excesivo y limitar así la consiguiente merma de rendimiento de todo el panel ó módulo y de los otros módulos conectados a él. La exigencia de una buena manejabilidad del módulo limita el número máximo de células. El peso y las dimensiones exteriores deben permitir el montaje en el tejado incluso en condiciones difíciles y con pocos operarios. Las células solares se cubren, por su parte frontal, con una lámina de vidrio endurecido y por detrás con una segunda lámina de vidrio o con una lámina de plástico Tedlar. El cristal debe ser en su parte anterior y exterior, sumamente liso y capaz de no retener la suciedad. Para poder resistir al menos durante 25 años la intemperie y la humedad, las células se adhieren a una capa de etilen vinil acetato (EVA), estas materias plástico debe presentar una excelente transmisión a la radiación solar, así como una nula degradación frente a las radiaciones ultravioletas UV ya que si no es así disminuye el rendimiento del módulo, el encapsulante protege y amortigua las posibles vibraciones e impactos que se puedan producir. Las células así quedan envueltas y protegidas, ver la siguiente figura1.9. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 136 Proyecto Fin de Carrera Figura: 1.9; Estructura de un módulo ó panel solar. La capa de Tedlar posterior debe proteger contra los agentes atmosféricos y la humedad; el Tedlar es 2300 veces menos absorbente de la humedad que la silicona. Ha de ser de color blanco para favorecer el rendimiento del panel ya que refleja la radiación incidente a través de los intersticios de las cálulas, reflejándose en el vidrio por su parte interior e incidiendo de nuevo sobre las células. El marco suele ser de aluminio anodizado o acero inoxidable. Los marcos soporte deberán llevar los taladros necesarios para su anclaje en bastidor. Un marco no debe ser taladrado bajo ningún concepto, ya que las vibraciones producidas pueden hacer estallar el cristal. Es preciso que lleven instaladas tomas de tierra. Los contactos eléctricos deben ser accesibles a través de una caja de conexión IP65 con los diodos bypass incorporados. Como se indicaba anteriormente, deben cumplir las certificaciones IEC 61.215:2005 y IEC61.730:2004. Si se trata de construcción con células cristalinas. Los ensayos principales son: - Inspección visual - Medidas en las condiciones estándar (1000 W/m2 ; Tc 25ºC, AM 1.5) - Ensayo de aislamiento eléctrico. - Medida de los coeficientes de dilatación térmica. - Medida de la temperatura de operación nominal TONC. - Funcionamiento en condiciones de TONC. - Funcionamiento a baja irradiancia. - Ensayo de exposición en exterior. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 143 Proyecto Fin de Carrera diseño. Para dimensionar la instalación es necesario conocer la inversión inicial, el espacio disponible y la rentabilidad que se quiere obtener. Es importante recordar que el consumo de electricidad es independiente de la energía generada por los paneles fotovoltaicos. El usuario sigue comprando la electricidad que consume a la distribuidora al precio establecido y además es propietario de una instalación generadora de electricidad que puede facturar los KWh producidos a un precio superior. 2.2.1 Elementos del sistema fotovoltaico conectado a la red Comenzaremos mostrando un esquema de una instalación conectada a la red como se muestra en la figura 2.4. Figura: 2.4; Esquema de la estructura de un sistema solar fotovoltaico conectado a la red. Los elementos que componen la instalación son: - Generador fotovoltaico: Que transforma la energía solar en energía eléctrica. Está constituido por paneles solares y estos a su vez están formados por varias células iguales conectadas eléctricamente entre si, en serie y/o en paralelo, de forma que la tensión y corriente suministradas por el panel se incrementa hasta ajustarse al valor deseado. La mayor parte de los paneles solares se construyen asociando primero células en serie hasta conseguir el nivel de tensión deseado, y luego asociando en paralelo varias asociaciones serie de células para alcanzar el nivel de corriente deseado. Además, el panel cuenta con otros elementos a parte de las células solares, que hacen posible la adecuada protección del conjunto frente a los agentes externos; asegurando una rigidez suficiente, posibilitando la sujeción a las estructuras que lo soportan y permitiendo la conexión eléctrica. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 144 Proyecto Fin de Carrera - Caja general de protección: La caja general de protección es la encargada de salvaguardar toda la instalación eléctrica de un posible cortocircuito o punta de intensidad la cual afectaría a todos los componentes conectados a la red. Esta caja general de protección podrá llevar tanto protecciones térmicas como fusibles. - Inversor: Es el equipo encargado de transformar la energía recibida del generador fotovoltaico (en forma de corriente continua) y adaptarla a las condiciones requeridas según el tipo de cargas, normalmente en corriente alterna y el posterior suministro a la red. Los inversores vienen caracterizados principalmente por la tensión de entrada, que se debe adaptar al generador, la potencia máxima que puede proporcionar y la eficiencia. Esta última se define como la relación entre la potencia eléctrica que el inversor entrega a la utilización (potencia de salida) y la potencia eléctrica que extrae del generador (potencia de entrada). Aspectos importantes que habrán de cumplir los inversores: - Deberán tener una eficiencia alta, pues en caso contrario se habrá de aumentar innecesariamente el número de paneles para alimentar la carga. - Estar adecuadamente protegidos contra cortocircuitos y sobrecargas. - Incorporar rearme y desconexión automáticos. - Admitir demandas instantáneas de potencia mayores del 150% de su potencia máxima. Cumplir con los requisitos, que establece el Reglamento de Baja Tensión. - Baja distorsión armónica. - Bajo consumo. - Aislamiento galvánico. - Sistema de medidas y monitorización. - Contadores: Un contador principal mide la energía producida (kWh) y enviada a la red para que pueda ser facturada a la compañía a los precios autorizados. Un contador secundario mide los pequeños consumos de los equipos fotovoltaicos (kWh) para descontarlos de la energía producida. - Estructura de soporte de las placas: El bastidor es el encargado de sujetar el panel solar, y muchas veces será un kit de montaje para instalarlo adecuadamente. En el caso de que no se suministrara en kit el instalador lo realizará de acuerdo a la normativa existente, además de tener en cuenta la fuerza del viento entre otras cosas. La estructura deberá soportar como mínimo una velocidad del viento de 150 Km./h. Esta estructura es la que fijará la inclinación de los paneles solares. Hay varios tipos de estructuras: desde un simple poste que soporta 4 paneles solares, hasta grandes estructuras de vigas aptas para aguantar varias decenas de ellos. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 145 Proyecto Fin de Carrera Para anclar estos paneles utilizaremos hormigón y tornillos de rosca (acero inoxidable), siendo tanto la estructura como los soportes de acero inoxidable, hierro galvanizado o aluminio anodinado, de un espesor de chapa 1mm y han de dejar una altura mínima entre el suelo y el panel de 30cm, y en la montaña o lugares donde llueve mucho, algo mayor, para evitar que sean alcanzados o enterrados por la nieve o el agua. No obstante es recomendable consultar el reglamento electrotécnico de baja tensión M.B.T. 039. Si se instalan mástiles, se tendrá que arriostrar, y si su base es de hormigón, la reforzaremos con tiras de acero, o introduciendo piezas metálicas en el hormigón cuando este esté blando, para que quede bien sujeto (éste es el método más empleado). Pero si se montan las placas en postes, se utilizarán flejes de acero inoxidable grapados o unidos con una hebilla del mismo material. - Puesta a tierra: La puesta a tierra de la instalación es muy importante ya que delimita la tensión que pueda presentarse en un momento dado en las masas metálicas de los componentes, asegurando la actuación de las protecciones y eliminando el riesgo que supone el mal funcionamiento o avería de alguno de los equipos. Tomas a tierra se establecen principalmente a fin de limitar la tensión que puedan presentar en un momento dado las masas metálicas, asegurar la actuación de las protecciones y eliminar o disminuir el riesgo que supone una avería en los materiales eléctricos utilizados. - Cableado de Interconexión: Es el encargado de conectar los distintos paneles solares con las cajas de interconexión y con otra instrumentación. Este cableado de paneles se realizará con materiales de alta calidad para que se asegure la durabilidad y la fiabilidad del sistema a la intemperie. El cableado evidentemente tendrá que cumplir con el reglamento técnico de baja tensión. Las conexiones, cables, equipos y demás elementos tendrán que tener el grado de protección IP.535, concepto que se define en la norma UNE 20-234. Los cables utilizados tendrán una última capa de protección con un material resistente a la intemperie y la humedad, de tal forma que no le afecten internamente los agentes atmosféricos. Entre las conexiones eléctricas entre paneles usaremos siempre terminales. Los terminales de los paneles pueden ser bornas en la parte de detrás del panel o estar situados en una caja de terminales a la caja espalda del mismo. En el primer caso tendremos capuchones de goma para la protección de los terminales contra los agentes atmosféricos. La caja de terminales es una buena solución en el caso de que cumpla con el grado de protección IP.535. En instalaciones donde se monten paneles en serie y la tensión sea igual o mayor a 24V instalaremos diodos de derivación. La sección del cable de conexión no debe de ser superior a 6mm. Es necesario también cuidar los sistemas de paso de los cables por muros y techos para evitar la entrada de agua en el interior. Las técnica y tendido para la fijación de los cables han de ser las habituales en una instalación convencional. Los conductor pueden ir bajo tubo al aire, en el primer caso puede ir empotrado o no. La sujeción se efectuará mediante bridas de sujeción, procurando no someter a una excesiva doblez a los radios de curvatura. Los empalmes se realizarán con accesorios a tal efecto, usando cajas de derivación siempre que sea posible. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 146 Proyecto Fin de Carrera Adjuntamos en la figura: 2.5; el esquema unifilar del sistema fotovoltaico conectado a la red de baja tensión y que no contempla la posibilidad de interconectar con los cuadros de distribución de consumo interno. Figura: 2.5; Esquema instalación fotovoltaica conectada a la red. 2.2.2 Mantenimiento de sistemas fotovoltaicos conectados a la red. El mantenimiento se reduce a la limpieza de los paneles, cuando se detecte suciedad, y a la comprobación visual del funcionamiento del inversor. La vida media de la instalación se estima superior a treinta años. 2.2.3 Aplicaciones de sistemas fotovoltaicos conectados a la red. Las principales aplicaciones de los sistemas conectados a la red eléctrica son: - Tejados de viviendas: Son sistemas modulares de fácil instalación donde se aprovecha la superficie de tejado existente para sobreponer los módulos fotovoltaicos. Una instalación de unos 3kWp que ocupa cerca de 30 m2 de tejado, inyectaría a la red tanta energía como la consumida por la vivienda a lo largo del año. Para ofrecer una solución más económica se están utilizando sistemas prefabricados que reducen notablemente el tiempo de realización de la instalación. Una vez terminada la instalación, el sistema fotovoltaico es un elemento más de la vivienda, aportando una fuente adicional de producción de electricidad y un gran Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 147 Proyecto Fin de Carrera valor ecológico añadido. Por sus características y la actual reglamentación en España, se prevé que sea la aplicación más extendida en los próximos años. En la siguiente figura 2.6, se muestra un ejemplo de aplicación en un tejado. Figura: 2.6; Aplicación de paneles fotovoltaicos en el tejado de un edificio residencial. - Plantas de producción: Existen algunos ejemplos de plantas de producción, aunque la mayoría han sido proyectos de demostración. Las plantas de producción de electricidad son aplicaciones de carácter industrial que pueden instalarse en zonas rurales no aprovechadas para otros usos o sobrepuestas en grandes cubiertas de áreas urbanas (aparcamientos, zonas comerciales, áreas deportivas, etc.). Para aumentar la capacidad de producción de una planta fotovoltaica de producción eléctrica hasta en un 25% se suelen utilizar sistemas de seguimiento del Sol. En la siguiente figura: 2.7, se muestra una planta de producción fotovoltaica. Figura: 2.7; Planta de producción fotovoltaica. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 148 Proyecto Fin de Carrera - Integración en edificios: En esta aplicación es prioritario el nivel de integración del elemento fotovoltaico en la estructura del edificio. Por integración fotovoltaica se debe entender la sustitución de elementos arquitectónicos convencionales por nuevos elementos arquitectónicos que incluyen el elemento fotovoltaico, y que por lo tanto son generadores de energía. Tanto para aplicaciones aisladas de la red eléctrica, como para las conectadas a ella es necesario cuidar la incorporación de los sistemas fotovoltaicos al entorno, rural o urbano. Pero es en las aplicaciones urbanas conectadas a red, en las que se unen exigencias urbanísticas a las motivaciones medioambientales, donde la integración tiene más relevancia. La demanda de energía del sector terciario en la Unión Europea está creciendo de forma significativa, por lo que la integración de sistemas fotovoltaicos en edificios, con aportaciones energéticas en las horas punta, contribuye a reducir la producción diurna de energía convencional. Las aplicaciones de integración en edificios más frecuentes son: - Recubrimiento de fachadas. - Muros cortina. - Parasoles en fachada. - Pérgolas. - Cubiertas planas acristaladas. - Lucernarios en cubiertas. -Lamas en ventanas. - Tejas. En la siguiente figura 2.8, se muestra una aplicación de placas fotovoltaicas integradas en edificios. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 149 Proyecto Fin de Carrera Figura: 2.8; Edificio con placas fotovoltaicas integradas en su fachada. 2.3.- Sistemas Híbridos En muchas ocasiones el dimensionado de la instalación fotovoltaica por sí solo se encuentra por debajo del margen de seguridad que garantiza la cobertura del suministro eléctrico todo el año, ya sea por motivos económicos o bien porque se dispone de otra fuente de generación eléctrica que completará la generada por la instalación. Incluso, aunque el dimensionado sea el correcto se pueden producir puntas de consumo muy por encima del habitual, o simplemente, tener periodos anormalmente largos de tiempo nublado y que por diferentes necesidades se deba garantizar en cualquier situación. Por tanto, en estos casos se recomienda dispone de algún sistema de generación auxiliar que permita hacer frente con seguridad frente las circunstancias anteriormente mencionadas, garantizando así un estado de carga aceptable en los acumuladores y una prolongación de su vida útil. Estos sistemas son una combinación entre un sistema fotovoltaico y otra fuente de suministro de energía eléctrica complementaria que no se trate de la red eléctrica, como son los generadores diesel o eólicos, pequeñas plantas hidroeléctricas y, en general, cualquier otro tipo de fuente energética. Uno de los sistemas de generación está formado por un sistema modular de paneles fotovoltaicos que mediante su regulador de carga está conectado al sistema de acumuladores, y en paralelo a este sistema se encuentra un grupo auxiliar de los anteriormente citados que, mediante un rectificador se conecta a las baterías para, en casos extremos, poder cargar los acumuladores. No obstante, el diseño óptimo de sistemas híbridos es muy complicado, debido a la variabilidad de la energía solar y la demanda de carga, así como las características no lineales de algunos componentes. Aunque son muchos los resultados que muestran las ventajas de un sistema híbrido frente a un sistema que sólo utiliza paneles fotovoltaicos o generadores diesel como fuente de energía. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 150 Proyecto Fin de Carrera En la siguiente figura: 2.9, se muestra un ejemplo de sistema híbrido. Figura: 2.9; Esquema de la estructura de un sistema solar fotovoltaico híbrido. Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 151 Proyecto Fin de Carrera ANEXO I: ENERGÍA EÓLICA Estudio de la recarga de vehículos eléctricos en sistemas autónomos de producción de energía en edificios. 152 Proyecto Fin de Carrera 1.- INTRODUCCIÓN La energía eólica es una forma indirecta de la energía solar, puesto que son las diferencias de temperatura y de presión inducidas en la atmósfera por la absorción de la radiación solar las que ponen en movimiento los vientos. Se calcula que un 2 % de la energía solar recibida por la Tierra se convierte en energía cinéticas de los vientos. La cantidad de energía correspondiente es enorme: unos 30 millones de TWh por año, o sea, 500 veces el consumo mundial de energía en 1975. Incluso teniendo en cuenta que sólo el 10 % de esta energía se encuentra disponible cerca del suelo, el potencial sigue siendo considerable; así, es difícil concebir en la actualidad la explotación de una parte notable de este potencial. En efecto, sería necesario cubrir las tierras emergidas y las superficies marinas con enormes motores eólicos. En estas condiciones, es más razonable estimar que por mucho tiempo las aplicaciones de la energía eólica se limitaran a utilizaciones locales, en regiones aisladas a un nivel de potencia de algunos kW a algunas decenas de kW(o bien a un papel de fuente complementaria en la alimentación de las redes eléctricas) con niveles de potencia de hasta algunos MW. Las zonas más favorables para la implantación de grandes motores eólicos son las regiones costeras y las grandes estepas, donde vientos constates soplan regularmente: es necesaria una velocidad media del viento superior a 30 km/h. índice de fuerza 5 en la escala de Beaufort como se muestra en la siguiente tabla1.1.[15] Tabla: 1.1; Tabla de especificaciones para la escala Beaufort de viento.