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El mundo está cambiando muy rápido pero también se está contaminando muy rápido

*Por el Lic. Yamil L. Casanovas Gerente de PSILOTRON I+D+i.
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EDITORIAL

*Por el Lic. Yamil L. Casanovas Gerente de PSILOTRON I+D+i.

Primero vamos a explicar brevemente qué es la huella de carbono. La huella de carbono representa el volumen total de gases de efecto invernadero que producen las actividades económicas y cotidianas del ser humano. Conocerlo es importante para tomar medidas y poner en marcha las iniciativas necesarias para reducirlo.

En el día a día cada uno de nosotros y las empresas están contribuyendo en la emisión de gases de efecto invernadero, desde cuando nos desplazamos en vehículos, en el consumo de energía, la producción de bienes y muchas rutinas más que tal vez ni nos imaginamos. Este gas que emitimos se acumula en la atmósfera provocando el sobrecalentamiento del planeta y la consecuencia de esto es lo que hace décadas estamos observando, el cambio climático.

Últimamente se viene observando un aceleramiento del cambio climático y la Organización de las Naciones Unidas (ONU) en sus Objetivos de Desarrollo Sostenible, advirtió que, si no las neutralizamos a tiempo con medidas, nos espera un mundo más inhóspito en el corto y mediano plazo.

Todos podemos contribuir en la no emisión o emisión moderada de gases de efecto invernadero porque tampoco podemos frenar al mundo. Desde el consumo responsable para no generar desechos, movernos en bicicletas o a pie, siendo más eficiente en el consumo de energía o elegir una totalmente renovable hasta concientizar difundiendo la importancia de reducir la huella de carbono.

Muchas empresas ya están tomando cartas en el asunto migrando al consumo de energías alternativas, invirtiendo en proyectos medioambientales, pagando impuestos verdes, etc.

Hoy en día existe un certificado de huella de carbono que muchas empresas están tramitando que consiste en contratar una entidad oficial que calcule, verifique y acredite que la empresa cumple con todos los requisitos del cálculo y reducción de la huella de carbono.

Estas empresas también están empezando a solicitarles dicho certificado a sus proveedores, es una buena manera de contribuir al caso. No tenemos otro planeta, tenemos que cuidarlo…

FUENTES DE ENERGÍAS ALTERNATIVAS

Como mencionamos anteriormente, una de las formas de contribuir con la huella de carbono es siendo más eficiente en el consumo eléctrico y migrar al consumo de energías alternativas.

Existen diversas fuentes de energías alternativas a las fósiles, algunas se conocen más que otras, hay diferentes formas de convertirlas desde su energía base a energía eléctrica.

Del agua se puede obtener energía hidroeléctrica, mareomotriz y undimotriz entre otras.

Del aire se puede obtener las eólicas (axial, vertical, vortex), globos generadores. Del sol, energía térmica, termoeléctrica y eléctrica.

De la materia orgánica, biogás, biomasa.

El tema es que no todas estas energías alternativas son constantes, por lo tanto, necesitamos acumular la energía generada para poder devolverla y luego utilizarla en los momentos que no se puede generar. Para esto vamos a requerir acumuladores.

Ahora, ¿vamos a usar los acumuladores sólo en los momentos en que no haya generación? No! Para entender un poco más, veamos lo que se denomina bandas horarias.

El consumo no es plano durante las 24hs del día, tenemos bandas pico, normales y bajas en términos de consumo, esto se denomina en punta, resto y valle. Por lo tanto, necesitamos acumular energía para poder utilizarla en los momentos que no haya generación o se requiera más energía de la generada.

TIPOS DE ACUMULADORES

Hay varios tipos de acumuladores, podemos clasificarlos según capacidad de entregar energía (velocidad), cantidad de energía que puede almacenar y ciclos (vida útil).

Algunos acumuladores son más conocidos que otros, tenemos los cinéticos, súper o ultra capacitores, baterías de plomo o litio, baterías de flujo, autos eléctricos, acumuladores de hidrógeno, energía potencial (reservorios de agua natural o artificial) entre otros.

EL PARADIGMA DE LOS VEHÍCULOS ELÉCTRICOS, HÍBRIDOS Y A HIDRÓGENO

Explicaremos brevemente los tipos y las características de los vehículos eléctricos.

Los híbridos pueden tener o no conexión para recarga eléctrica, los que tienen la opción de recargar la batería habitualmente son de carga lenta. Los podemos cargar en el domicilio o estaciones de carga. La autonomía es parecida a la de los autos a combustión o hidrógeno (500 a 600 km). La emisión de CO2 es de unos 100grs de CO2/km cuando en un vehículo a combustión la emisión es de 140grs de CO2/km.

Los vehículos eléctricos requieren de una conexión a un cargador. Se requiere mucho más tiempo en la carga, por lo menos de 30min a horas dependiendo del tipo de vehículo, autonomía y tipo de carga.

Tienen una autonomía de 200 a 400km y generan unos 50 a 70 grs de CO2/km (más adelante vamos a explicar el motivo).

Los vehículos a hidrógeno requieren poco tiempo para recargarse al 100% de su capacidad. Tienen una autonomía de 500 a 600 Km y una emisión de 80 a 90 grs de CO2/km.

Por lo que se puede observar, estos tipos de vehículos siguen emitiendo gases de efecto invernadero, en menor medida obvio.

A continuación, vamos a comentar un estudio que se realizó en una automotriz sueca muy conocida mundialmente.

Se realizó un estudio de huella de carbono en tres vehículos desde su fabricación hasta su uso cotidiano hasta los 200.000 km, uno eléctrico y otro de combustión fósil, y los resultados fueron asombrosos.

Los primeros resultados arrojaron que fabricar un auto 100% eléctrico genera casi un 70% más de emisión de CO2 que fabricar el mismo auto de combustión interna. Si dejamos afuera la producción de materias primas y fabricación de las baterías, sigue siendo un 30% más contaminante debido al uso de materiales como el aluminio, etc.

Luego comparando la emisión de CO2 durante su vida útil, la emisión acumulada comienza a equilibrarse debido a que el eléctrico dejará menos huella de carbono, el híbrido recargable un poco más y el de combustión interna será más contaminante.

El estudio sigue y arrojó que luego de 200.000 km la huella de carbono del eléctrico se equipara con el de combustión interna a los 110.000 km, por lo tanto, estamos diciendo que entre los 110.000 km y 200.000 km el auto de combustión interna pasa a ser más contaminante.

Ahora, ¿qué pasa si al auto eléctrico lo cargamos con fuentes de energías 100% renovables? Bueno, los números mejoran. La huella pasa a ser menor, estaríamos en que a los 49.000 km el de combustión interna pasa a ser más contaminante. Siempre tomando el punto de partida el inicio de fabricación de cada uno.

En resumen, al final del ciclo de vida en este estudio que sería a los 200.000 km, el de combustión interna emitirá 59 toneladas de CO2, el Híbrido recargable 44 toneladas de CO2 y el eléctrico 42 toneladas de CO2.

Por lo que podemos observar del estudio los autos eléctricos siguen siendo contaminantes y mientras la electricidad se genere mediante medios no renovables, es en vano todo el esfuerzo y vamos a seguir dejando nuestra huella de carbono.

Habiendo mencionado el estudio y conclusiones de los vehículos eléctricos, tenemos que preguntarnos lo siguiente, ¿Qué pasará cuando aumente la utilización en la sociedad de estos vehículos? ¿Dónde los vamos a cargar? ¿La red eléctrica convencional está preparada para la demanda?

A continuación, vamos a detallar un estudio para responder estas preguntas.

Tipos de vehículos eléctricos con baterías de 35kWh o menor (solo admiten carga lenta).

Con baterías de 65kWh (Admiten carga lenta y rápida). Con baterías de 95kWh (Admiten los tres tipos de carga).

Con baterías más grandes (Buses y camiones urbanos) de 190kWh, 270kWh 380Kwh, 540kWh, (Admiten carga rápida y ultrarrápida).

Vamos a tomar los siguientes datos para nuestro ejemplo, un 80% de vehículos de 65kWh, 20% de 95kWh y todos con recargas al 60%.

Los vehículos de combustible líquido pueden recargar el 100% de su capacidad en 15 minutos, los vehículos eléctricos son muy diferentes, dependiendo del tipo de vehículo, su batería, la velocidad que admite de carga y el cargador.

Tipos de cargadores para vehículos eléctricos, optamos por 5 lentos AC, 8 rápidos DC y 2 ultra rápidos DC. Potencias lentos de 2 a 22 kw, rápidos de 35 a 75kW y ultrarrápidos de 70 a 150 kW.

Una estación de servicio típica de combustible tiene de 6 a 12 puestos de carga, y un flujo por puesto de 4 vehículos por hora, estimaremos que las bandas de carga picos son dos, una de 6 a 10 y otra de 16 a 20 siendo unas 8 horas de gran flujo de vehículos, después durante el día obviamente siguen entrando vehículos a recargar.

En nuestro ejemplo vamos a tomar dos bases de carga, con combustible y otra con vehículos eléctricos. No vamos a tomar los consumos de otros servicios como luminarias, centro de ventas, servicios de mantenimiento y lavado, etc. Que los vehículos eléctricos van a recargar entre un 50 y 70% de su capacidad y en solo dos formas de carga, rápida y ultrarrápida, un 80% de vehículos de carga rápida y un 20% de carga ultra rápida, y en las bandas horarias de pico solo 8 horas.

Para una estación típica de combustible de unos 10 puestos por 4 cargas por hora, serían en hora pico (8 hs) unas 320 cargas de hasta el 100%. Con un consumo de energía de unos 5kWh por puesto por 10 por 8hs = 400kWh y una potencia instalada necesaria de unos 50kW.

Para una estación de carga eléctrica, la estimación para los vehículos eléctricos es más complicada y tomaremos lo siguiente, 8 puestos para vehículos con baterías de hasta 65kWh y una recarga del 60%, necesitamos unos 39kWh en un cargador rápido de 50Kw, demora unos 47 minutos más el tiempo de conexión y desconexión, 50 minutos. En 8 horas unas 9,6 cargas por puesto por 8 puestos = 77 cargas. Con un consumo de energía de unos 375kWh por puesto por 8 puestos = 3.000kWh y una potencia instalada necesaria de unos 400kW solamente para estos 8 puestos en estas 8hs pico. Sigamos, 2 puestos para vehículos con baterías de hasta 95kWh y una recarga del 60%, unos 57kWh en un cargador ultrarrápido de 100kW, unos 35 minutos más el tiempo de conexión y desconexión 40 minutos en 8 horas unas 12 cargas por puesto, por 2 puestos = 24 cargas. Con un consumo de energía de unos 455kWh por puesto, por 2 puestos = 910kWh y una potencia instalada necesaria de unos 200kW.

Para una estación de carga eléctrica de unos 10 puestos serían en hora pico unas 101 cargas de hasta el 60%. Con un consumo de energía de unos 3.910kWh y una potencia instalada necesaria de unos 600kW.

Resumiendo:

Estación de servicio de combustible (fósil) 320 cargas por día del 100%, 400kWh y 50kW (Obviamente más el costo del combustible).

Estación de servicio eléctrica 101 cargas por día del 60%, 3.910kWh y 600kW (Mas el costo de la energía desde la red).

Si tratáramos de llegar a 320 cargas en una estación eléctrica, 320 cargas por día del 60%, 12.400kWh y 1.900kW (Más el costo de la energía desde la red).

Estamos viendo la gran diferencia de energía y de potencia instalada necesaria. El tema radica en que la infraestructura eléctrica va a ser muy solicitada, tanto en energía como en potencia instalada. Entonces volviendo a las preguntas del comienzo, ¿La red eléctrica convencional está preparada para la demanda? También hay que tener en cuenta que cada ciudadano y empresa van a instalar sus propios cargadores generando más demanda.

SMART GRID, MICRO GRID, NANO GRID, PICO GRID

Continuando con la problemática de la generación de energía, acá podríamos encontrar una posible solución. Vamos a clasificar estos conceptos.

Pico Grid -> Potencias de 0.05 a 0.5 MW Nano Grid -> Potencias de 0.5 a 2 MW

Micro Grid -> Potencias de 2 a 20 MW

¿Qué es una Smart Grid?

Este concepto surge de integrar ingeniería eléctrica, electrónica con la tecnología de la información y la comunicación. Se podría decir que es una red inteligente que se autogestiona para abastecer la demanda requerida con la máxima eficiencia energética. Algo no menor en este sistema es que es bidireccional, puede generar energía para auto abastecer la demanda como también puede inyectar energía a la red eléctrica. En pocas palabras, podemos ser consumidores y prosumidores al mismo tiempo.

El potencial de este sistema es inmenso, tiene capacidad analítica y control de la generación y el consumo. Mediante sistemas informáticos automatizados se dan respuestas a las fluctuaciones en la generación y la demanda en tiempo real.

Las Smart Grid son un concepto clave para administrar y eficientar la generación y la demanda, ya que suponen un gran paso hacia un mundo descarbonizado. Mediante la tecnología de la información, los conceptos de “Data Analytics” “Big Data” y ni hablar de “Inteligencia Artificial” se puede conseguir un sistema más eficiente, sostenible, con pocas perdidas y un suministro de calidad. Con un sistema Smart Grid bien administrado no solo se podría conseguir mayor eficiencia energética, sino que también tendríamos beneficios medioambientales, económicos y sociales.

Ahora, ¿este concepto solo sirve para ser más eficiente en el consumo eléctrico? La respuesta es NO! Este concepto se puede aplicar a diversos escenarios como, por ejemplo, permite el desarrollo de ciudades donde llegar con la red eléctrica es costoso o imposible. También se puede aplicar en plantas de producción que se encuentran en lugares inhóspitos como en mineras o campamentos petroleros, en el campo como por ejemplo para el riego de las plantaciones donde es un tema muy sensible para el productor.

Un sistema Smart Grid puede ser híbrido, ¿qué quiere decir esto? Que en un mismo sistema podemos tener diferentes tipos de generación como por ejemplo eólica, solar, biomasa, biogás, red eléctrica convencional, etc. También podemos tener diferentes tipos de acumuladores como baterías de celdas de litio, plomo, hidrógeno, ultra capacitores, inerciales, etc. El sistema se va a encargar de administrar todo esto para poder responder a la demanda del momento con la mejor eficiencia. Por ejemplo, durante el día si la generación solar alcanza, solo va a abastecer la demanda con energía solar y todo lo demás lo desconecta del sistema o lo utiliza para cargar los acumuladores. Cuando necesito responder a un pico de consumo usaría los acumuladores para una respuesta más rápida, conectaría al sistema otros medios de generación para responder a ese aumento de consumo. Durante la noche obviamente no tendríamos generación solar, por lo tanto, utilizará generación eólica, o biomasa, o biogás dependiendo la demanda. Otro concepto a tener en cuenta es el de On Grid y Off Grid, ¿Qué quiere decir esto? Que el sistema Smart Grid puede estar conectado a la red o desconectado de la red eléctrica convencional, en pocas palabras como se mencionó anteriormente sería que, si tengo sobrante de generación y quiero aportar ese sobrante a la red eléctrica convencional, lo podría inyectar teniendo un sistema Smart Grid On Grid.

SMART CHARGE STATION

El concepto de Smart Charge Station es una propuesta que consiste en tener una Smart Grid en una estación de carga para vehículos eléctricos. De esta manera tendríamos estaciones de carga autosustentables, y si la pensamos en modo On Grid estaríamos ante una estación de carga autosustentable y una planta generadora que podría aportar a la red eléctrica de ser necesario. Esto generaría múltiples ventajas que enumeramos a continuación.

–      Bajar costos de transporte de la energía / combustibles.

–      Bajar la solicitud de energía y potencia a la red eléctrica.

–      Bajar la contaminación sobre todo de CO2.

–      Utilización de energías alternativas.

–      Reciclaje de productos, baterías y celdas de H2 en su segunda vida.

–      Escalabilidad, poder crecer según la demanda.

También cabe destacar que este concepto estaría contribuyendo con 7 de los 17 Objetivos de desarrollo sostenible propuesto por Naciones Unidas en 2015 para llegar al 2030.

A continuación, vamos a ver la Figura 11 que explica conceptualmente como sería una planta Smart Charger Station.

Si aplicamos este concepto al ejemplo mencionado sobre la energía y potencia que se requeriría para una estación de carga de 10 cargadores donde 8 eran rápidos y 2 ultra rápidos y llegamos a la conclusión que vamos a necesitar 3910kWh y 600kW de potencia instalada, teniendo en cuenta las demandas pico y la generación, obtenemos la Figura 12.

Lo que podemos observar en el gráfico es como la curva roja representa los horarios picos de consumo (8 horas totales en dos tramos) y administramos la red eléctrica (recta amarilla) y la generación fotovoltaica (curva verde) en conjunto con baterías (curva violeta). La curva azul muestra cómo mejora la curva de carga de baterías si utilizamos la generación fotovoltaica (en este caso una generación de 250kWh) y en este caso le estaríamos quitando la necesidad de consumir de la red eléctrica realizando un consumo más eficiente.

En la Figura 13 planteamos el mismo ejemplo que en el anterior, pero con una generación fotovoltaica de 500kWh, podemos observar como la carga de las baterías mejora con respecto al anterior gráfico teniendo una recuperación más rápida.

También tendremos la opción de devolver una parte o todo lo generado mediante la generación fotovoltaica a la red bajando el rendimiento de recuperación de las baterías. Esta opción depende del tipo de contrato que tenga el usuario con la compañía eléctrica para poder devolver ese sobrante de generación.