La recarga de vehículos eléctricos no destruirá la red eléctrica

He estado trabajando en la carga de vehículos eléctricos desde 2014, y en ese tiempo escuché algunas opiniones profundamente extrañas sobre la carga de vehículos eléctricos y las diversas formas en que destruirá la red.

Hay tres clases principales de rarezas de carga EV; problemas energéticos, problemas de capacidad y problemas técnicos. Comenzaré con la técnica porque solo hay un ejemplo importante:

En los primeros días, los proveedores de servicios de red de distribución (DNSP, como Essential Energy en NSW) miraban nuestras aplicaciones de conexión y, en su mayoría, las aceptaban como una gran carga más.

Pero de vez en cuando la aplicación aterrizaba en el escritorio de alguien un poco más curioso, que se preguntaba por qué se estaban conectando 500 kVA a un estacionamiento abandonado y buscaba más detalles.

Los cargadores de CC grandes tienen rectificadores grandes, y cualquier ingeniero eléctrico que se precie sabe que los rectificadores (antiguos) producen distorsión armónica.

Esto cambia la forma de la curva de voltaje de CA, a menudo reflejando ondas más pequeñas a través de la red, de ahí la parte armónica del término.

En lugar de una hermosa y perfecta curva sinusoidal, algo podría reflejar una curva sinusoidal a 100 Hz, en lugar de 50 Hz, por lo que las ondas se suman algunas veces y se restan otras. La red se ve afectada por la forma en que el dispositivo utiliza la fuente de alimentación.

El ejemplo más clásico de algo que introduce distorsión armónica es un secador de pelo barato.

A plena potencia, el secador de pelo consume tanta corriente como puede y la convierte en calor, el motor y el calentador en perfecta sincronización con la red. Pero eso se calienta un poco, por lo que también hay media potencia en el secador de pelo.

Para lograr la mitad de la potencia, este interruptor deja caer un diodo en el circuito de alimentación, lo que significa que la secadora ahora solo usa la mitad de la onda sinusoidal.

En lugar de usar toda la curva, por encima y por debajo de cero, solo usa el bit por encima de cero, como una serie de badenes.

Si la secadora solo usa el positivo, ¿a dónde va el negativo?

Volver a la red, como distorsión armónica.

Hace 50 años, los únicos grandes rectificadores generaban energía para las líneas de tren y tranvía, y los ingenieros sabían que debían tomar precauciones para administrarlos.

Por lo general, intentarían aislar los armónicos mediante el uso de un transformador, que amortigua esos bordes más extraños transformando la curva entre las bobinas.

Los suministros de trenes son manejables porque son sitios grandes y dedicados con todas las campanas y silbatos de ingeniería.

¿Qué va a pasar cuando comiencen a colocar grandes rectificadores en todas partes? ¿Envenenará la curva sinusoidal para todos los demás?

Afortunadamente, los fabricantes de cargadores se han enfrentado a este problema y han implementado correcciones y pruebas para mostrar su rendimiento de distorsión armónica.

Por lo general, es un problema que se resuelve solo; si el rectificador grande está separado del resto de la red por un transformador, digamos un transformador de distribución dedicado de 500 kVA, la distorsión se limitará en gran medida a esa pequeña parte de la red y no habrá problema para ningún otro usuario.

Algunos fabricantes incluyen un transformador de aislamiento en el diseño de su cargador, separado de cualquier transformador de distribución potencial. Y todos ellos ahora realizan pruebas de "distorsión armónica total" como estándar y pueden emitir informes que dicen que "THD <5%" en caso de que alguien comience a hacer preguntas.

Pero creo que la industria se ha puesto al día con esto en paralelo, porque no me han hecho preguntas sobre THD desde hace algunos años.

"¿De dónde va a venir toda esta electricidad? ¡Tendremos que cuadruplicar la generación! ¡Y de todos modos es todo carbón!"

Comenzando con el carbón, sí, es un problema que todavía generemos mucha electricidad a partir del carbón, pero podemos resolverlo en paralelo con el despliegue de vehículos eléctricos mediante la transición a energía limpia para nuestra electricidad.

Incluso con la tecnología de energía actual, los vehículos eléctricos son un mejor resultado para el clima y seguirán mejorando con el tiempo.

Para mí, el estudio estándar de oro sobre esto es de Auke Hoekstra, resumido y vinculado de manera útil en este artículo de RenewEconomy.

¿Cuánta electricidad necesita un EV? En Australia, el viaje diario promedio es de unos 40 km, aproximadamente 15 000 km por año, repartidos en 365 días.

Suponiendo que 20kWh/100km para un EV parezca correcto, ha sido mi regla general durante 5 años, por lo que para conducir 40 km su EV necesitará alrededor de 8kWh por día.

La casa australiana promedio usa alrededor de 20kWh/día. Por lo tanto, agregar 8kWh a la carga de una casa la aumenta en aproximadamente un 40 %. No múltiplos del uso normal de la casa, un aumento del 40%.

¿De dónde vendrá esta energía? La red, pero debemos asegurarnos de que sea energía limpia.

Los conductores de vehículos eléctricos pueden asegurarse de que su energía sea limpia agregando energía solar y enchufándose en los momentos adecuados. Para entregar 8kWh/día en Australia se requieren solo 2kW de energía solar, más otros 5 para cubrir la carga de la casa.

Este agradable gráfico de APVI muestra que el sistema doméstico promedio en Australia ahora supera los 8kW, por lo que lo tomo como evidencia de que agregar suficiente energía solar para cubrir la carga de su casa y automóvil es factible y bastante práctico. Es lo que hemos hecho.

La carga solar y en el hogar será difícil para algunas personas, especialmente para quienes alquilan, viven en apartamentos o en una de esas calles de pesadilla en Sydney donde estacionas donde encuentras un lugar y que podría estar a 6 km de casa.

Estas personas dependerán de la carga pública, y cuán limpia es su electricidad depende de las prácticas de adquisición de quienes administran la red.

Trabajo en Chargefox, la red de carga pública más grande de Australia, y trabajamos arduamente para asegurarnos de que toda la energía que compramos sea energía limpia.

Cuando trabajé en Tesla AU, hicieron lo mismo, y escuché que otras redes que se están construyendo en Australia están haciendo lo mismo.

En cuanto a la energía, sí, podemos suministrar la electricidad adicional y sí, puede ser energía limpia. Hay trabajo por hacer, pero caminos definidos para llegar allí.

Estos son probablemente los más difíciles de entender para los legos, porque los problemas de capacidad dependen del tiempo y pueden ocurrir en cualquier lugar.

Hablé extensamente sobre los problemas de capacidad en el Battery Post, pero lo resumiré aquí.

Los problemas de capacidad ocurren en cualquier parte de la red eléctrica donde intenta fluir demasiada energía. Pueden ocurrir en la centralita de tu casa cuando intentas hacer funcionar la secadora, el horno y la plancha al mismo tiempo.

Pueden ocurrir en subestaciones a escala de suburbio cuando cada casa en el suburbio está tratando de bombear energía solar nuevamente a la red, excediendo la capacidad a la inversa.

La clave para recordar aquí, y nos lleva de vuelta a nuestro amigo del principio, es que los cargadores EV son solo otra carga eléctrica. No son especiales.

Es como instalar un nuevo aire acondicionado o calentador de agua. Es algo que usa electricidad, que se agrega a un sistema que está diseñado desde cero para agregar cosas nuevas sin romperlo.

Hay mucho que analizar con los problemas de capacidad y cómo se gestionan, por lo que comenzaremos a nivel de la casa.

Digamos que compras un hermoso Leaf 2014 de segunda mano y quieres instalar un cargador en casa. Llamará a un electricista y le pedirá que instale el cargador.

El trabajo de tiempo completo del electricista es conectar cosas nuevas de electricidad y asegurarse de que no rompan nada cuando lo hagan.

Entonces, cuando instalen el cargador en su casa, se asegurarán de que la suma de las cargas potenciales en su cuadro no exceda la capacidad del cuadro.

Y si algo sale mal, alguien agrega 3 calentadores a un solo punto de alimentación, entonces el circuito que está consumiendo demasiada corriente se disparará, desconectando la demanda y protegiendo el tablero de distribución.

Pero, ¿y si todos en una calle instalan un cargador, cada casa con capacidad suficiente para usar su conexión por completo?

Esto puede convertirse en un problema en el transformador de distribución local, que es de lo que habla el tweet en cuestión.

Sin embargo, la diferencia es que, en ausencia de cualquier protección, sí, la instalación de demasiados cargadores puede arruinar un transformador, pero por la misma razón, encender demasiados calentadores no daña el tablero de distribución de su casa, esto no sucederá.

El transformador también tiene fusibles y disyuntores. Si todo sale mal y se exige demasiado del transformador, con o sin cargadores EV, el disyuntor se disparará o se quemará el fusible.

Esto sucede muy raramente, porque todos los electricistas trabajan dentro de los límites, y esos límites se suman al transformador.

Pero si alguien comete un error, solo se quemarán los fusibles del transformador, no hay forma de que la vida útil se reduzca en órdenes de magnitud.

Juegue esto hacia adelante y verá que es un problema si todos instalan un cargador y todos intentan cargar al mismo tiempo. Los transformadores dependen de dos cosas para mantenerse a salvo; "diversidad" de cargas y protección térmica de algo grande y pesado.

Los transformadores son en realidad bastante resistentes y pueden funcionar a una carga mucho mayor que su capacidad nominal durante cortos períodos de tiempo.

Un transformador de 500 kVA puede fluir 500 kVA constantes y alcanzar un pico de 650 kVA durante una hora o más, algunos incluso pueden llegar a 1000 kVA por un período corto.

Es un problema de calor. Cuando se usa en exceso se calienta. El calor se acumula hasta que algo falla. Pero son objetos grandes y pesados, por lo general con refrigeración por aceite, por lo que se puede absorber y disipar un estallido repentino de calor.

Más aún cuando el transformador está subido a un poste y es un día frío.

La diversidad en las cargas es el grado en que no coinciden.

Digamos que tiene 100A de cargas potenciales en su casa, pero nunca las opera todas al mismo tiempo, tal vez lo más alto que haya exigido sea 50A.

Se podría decir que tiene una diversidad del 50%. Las redes de distribución locales funcionan con la misma teoría, que es muy poco probable que todos usen suficiente carga al mismo tiempo para probar el transformador.

Y si lo hacen accidentalmente, fallan los fusibles, no el transformador.

Esta es una estrategia de gestión insatisfactoria, ya que se basa en fusibles para salvar los transformadores, por lo que está llegando una nueva tecnología para gestionar esto. Existe el riesgo de que todas las casas de la calle se conecten al mismo tiempo y se cocine el transformador.

¿Cómo podemos manejar eso mejor?

Con Smart Charging, y esto puede resolver casi todos los problemas de capacidad en la carga de vehículos eléctricos que he visto.

El problema de demasiados cargadores en un circuito ya está ocurriendo en algunos edificios comerciales y es similar a demasiadas casas en una calle que se encienden al mismo tiempo, pero es el tablero de distribución del edificio el que está bajo amenaza, en lugar del transformador local.

La carga inteligente se basa en el hecho de que los problemas de capacidad suelen ser de muy corta duración, por lo que si puede diferir una carga por un tiempo, es probable que pueda evitar la congestión.

En una escala suburbana, eso significa posponer la carga de EV hasta después del pico de las 7 p.m., lo cual es fácil. Los automóviles suelen estar parados durante 12 horas y solo necesitan unas pocas horas para cargarse por completo.

Usando cargadores EV con conexiones a Internet, es posible organizar todos los cargadores juntos y asegurarse de que no se agoten todos al mismo tiempo.

Los cargadores tienen un protocolo de lenguaje que permite subir y bajar su energía con comandos estandarizados.

Entonces, un sistema de carga inteligente medirá la demanda en el tablero de distribución y luego aumentará o disminuirá los cargadores para asegurarse de que el total no exceda el límite de diseño.

Luego, se puede aplicar otra capa de inteligencia sobre esto para asegurarse de que los autos se carguen de la manera que desea. Tal vez el auto 3 deba estar lleno para el mediodía, pero el auto 4 puede esperar hasta las 4 p. m. El sistema puede manejar todo esto. Estos sistemas ya están en uso ahora, utilizando cargadores residenciales conectados y aparcamientos de cercanías ferroviarios.

Eso cubre todos los cargadores pequeños, ¿y los grandes? ¿Los sitios masivos de carga interurbanos que pueden cargar un automóvil en minutos en lugar de horas?

Todas estas mismas protecciones continúan aplicándose a mayor escala, son solo diferentes personas que dan su aprobación.

En lugar de que su electricista local dé permiso para conectarse, es el operador de red el que se asegura de que no agreguemos demasiada carga al circuito.

En lugar de que su transformador de distribución local se sobrecargue, la red de 11 000 V podría sobrecargarse.

Pero no se sobrecarga, por las mismas razones; hay un fuerte proceso de control de nuevas conexiones; hay diversidad en las cargas que permite conectar más de las que pueden funcionar al mismo tiempo; si por casualidad exigen demasiado a la vez, los fusibles y disyuntores protegen el equipo; y si descubrimos que estamos alcanzando esas medidas de seguridad con regularidad, podemos aplicar la carga inteligente y la medición del punto de control.

Esta es una forma larga de decir que sí, existen algunos desafíos técnicos al agregar vehículos eléctricos a la red, pero son problemas superables que se pueden resolver con la tecnología y los sistemas existentes.

Los cargadores EV son solo otra carga, que se agregan a un sistema diseñado desde cero para agregar nuevas cargas. Los vehículos eléctricos están llegando y la red se está limpiando en paralelo. Siento que he dicho esto un poco recientemente, pero:

Esta funcionando. Sigue adelante.

Evan Beaver es gerente de carga en ChargeFox. Este artículo se publicó por primera vez en su blog: EVcricket Energy. Reproducido con autorización.