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Proyecto Fín de Máster:

Regulación Eólica con Baterías en Vehículos Eléctricos.

Ana Isabel Almendros Molina

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CAPÍTULO 2: JUSTIFICACIÓN.

2.1. Justificación técnica del almacenamiento de energía.

Hoy en día, la crisis energética mundial provocada por la escasez y el elevado coste

de los combustibles no renovables, como así también los problemas de

contaminación ambiental que estos combustibles provocan, ha obligado a la

utilización de fuentes de energía renovables que ayuden a superar esta crisis y

disminuyan los efectos de contaminación.

Dentro de la gran variedad de generadores de energía eléctrica con recursos

renovables, los generadores de energía eólica y solar fotovoltaica son los que en la

actualidad presentan un mayor avance y desarrollo tecnológico.

En los mercados eléctricos el equilibrio entre demanda y oferta ocurre en tiempo

real.

El almacenamiento de energía nos permite satisfacer la demanda incluso cuando

existe un desfase con respecto a la generación.

Según algunos estudios de EAPC wind energy, de manera general, se puede

estimar la productividad de un parque eólico de media-alta potencia (varias decenas

de MW) en torno al 84 %. Es decir, los parques eólicos tienen una pérdida de

oportunidad (gran parte de ella debida al ajuste de la producción a la curva de la

demanda) del 16 %. Suponiendo que tenemos un parque eólico genérico de 40 MW,

se desaprovecharían 6,4 MW.

Por tanto, es evidente la necesidad de almacenar el excedente de energía producido

en un dispositivo que sirva de apoyo al parque eólico.

En el contexto del mercado eléctrico, los principales objetivos del almacenamiento

de energía son:

- Aumentar la eficiencia de los sistemas eléctricos, al incrementar las horas de

no producción en base de las grandes centrales de generación (térmicas).

- Aumentar la seguridad y sostenibilidad de los sistemas eléctricos, al evitar los

costos de interrupción del suministro.

- Aumentar la disponibilidad e integración de fuentes renovables (solar, eólica).




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- Diferir nuevas inversiones en producción o generación de energía.

Si se pretende que las energías renovables constituyan una alternativa realista a las

energías consumibles, deben superar sus problemas de suministro energético y

poder almacenar energía durante los periodos de baja demanda para poderla luego

utilizar durante los picos de demanda.

Cuando se utiliza el viento o el sol (recursos limpios, autóctonos e inagotables) como

fuente primaria de energía, si bien no existen costes de combustible y se tiene bajo o

nulo impacto ambiental, se presenta el problema de la intermitencia y aleatoriedad

de estos recursos.

Por otro lado, a pesar de los grandes esfuerzos de REE, el sistema eléctrico español

no es un sistema eficaz y flexible que adecue fácilmente la demanda con la

producción. Una de las soluciones para aumentar la eficacia del sistema es

introducir nuevas demandas de manera que permita suavizar la curva de demanda.

En la España peninsular se dan dos elementos muy importantes: la limitada

capacidad de bombeo, que supone la alternativa óptima de almacenamiento

nocturno, y las dificultades de colocar excedentes de generación en los sistemas

eléctricos de los países vecinos. La apuesta por los vehículos eléctricos es, por tanto

una alternativa con un claro potencial. Es importante tener en cuenta, que el

incremento de la demanda con vehículos eléctricos obligará a una mayor

contribución por parte de las renovables, lo que una vez más redunda en la

necesidad de dotar de una mayor flexibilidad a la operación del sistema con ésta y

otras soluciones. Los vehículos eléctricos, permitirán inicialmente incorporar nuevas

cargas en horas de baja demanda y posteriormente, modular cargas en diferentes

periodos.

Un vehículo eléctrico medio consume alrededor de 14 kW/h por cada 100 km; un

coche que recorra unos 15.000 km al año consumiría 2.100kW/h, equiparable al

consumo doméstico medio.

El parque de vehículos, según los últimos datos de la D.G.T., asciende a 30,3

millones, de los que 21,8 millones son turismos. Su consumo anual total ascendería

a unos 45,78 GW/h. Para 2020 habrá unos 40.000 MW eólicos en tierra, más otros

5.000 MW de eólica marina, y después del 2020 la potencia seguirá aumentando,




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además del desarrollo de la solar termoeléctrica y la fotovoltaica, que pueden aportar

cada una unos 20.000 MW en 2020.

La eólica, por sí sola, podría suministrar en teoría toda la electricidad necesaria para

electrificar el parque de vehículos existente en España, aunque lo lógico será un mix

equilibrado y variable, que habrá que determinar cuando empiece la electrificación

del transporte.

Se puede y se debe, y hay sinergias entre la eólica y los vehículos eléctricos, sobre

todo en la gestión de la red. Incluso en un horizonte no lejano se pueden contemplar

redes eléctricas reversibles (verter de la red al vehículo en horas valle, y del vehículo

a la red en horas punta), donde las baterías de litio de los vehículos pueden

almacenar la electricidad producida por la noche o en horas de baja demanda, y

venderla a la red a un buen precio en las horas punta.

Evidentemente el cuello de botella está en la capacidad de carga de las propias

baterías, aunque en principio parece viable la carga de unos 5-7kW/h durante la

noche en un enchufe doméstico, lo cual sería suficiente para el recorrido que en

general realizan durante el día los vehículos en entorno urbano.

En la figura 1 se observa como cambiaría la curva de demanda con el consumo

adicional que supondría la recarga de dos millones de coches eléctricos en 2.014

(6,5 % del actual parque automovilístico en España). De manera simplificada, si

suponemos que la carga del vehículo se produce uniformemente a lo largo de las

siete horas que durante la noche tienen menos consumo, el incremento de la

demanda serían de unos 2.000 MW en cada una de esas siete horas, suponiendo

que cada batería se recargara con 7 KW/h (energía suficiente para recorrer 70 km).




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Figura 1 – Curva de demanda eléctrica y vehículo eléctrico.

Sin embargo, la operación del sistema, podría ser mucho más flexible con la

utilización de sistemas inteligentes que siguieran la evolución demanda general del

sistema.

En la figura 2 se puede observar cómo sería la curva para este caso,

utilizando el mismo número de vehículos. Se puede observar que en las horas de

menor consumo la demanda se podría aumentar incluso en 4.000 MW, aplanando

considerablemente la curva de carga por la noche, e incluso en algunas horas del

día en las que el consumo tampoco es excesivo, como pueden ser las 4 o las 5 de la

tarde.

Figura 2.- Curva de demanda eléctrica y vehículo eléctrico sistemas inteligentes




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La carga durante las horas de la tarde podría hacerse en los aparcamientos

de los edificios de oficinas donde se ubican los vehículos, pero aquí aparece uno de

los temas fundamentales de futuro, la capacidad de las propias redes, sobre todo de

distribución, que en algunos casos podrían duplicar las cargas inicialmente previstas.

Adicionalmente, y en un futuro más lejano, además de aumentar la demanda

en horas valle, el vehículo eléctrico también podría suministrar electricidad en horas

punta.

Este hecho aplanaría aun más la curva de carga evitando altos picos de

demanda y manteniéndola constante entre ambas puntas, lo que mejoraría

notablemente la eficiencia del sistema eléctrico. El vehículo se recargaría entre la 1 y

las 6 cuando la demanda apenas llega a unos 22.000 MW, en el trayecto al trabajo

el coche consumiría parte de la energía de la batería, esta energía posteriormente

puede ser recargada en los lugares de trabajo, en periodos de todavía poca

demanda para, por un lado vender energía a la red entre las 10 y las 16 horas,

cuando la demanda supera los 38.000 MW, y por otro realizar el trayecto de vuelta a

casa.

También existiría incluso la opción de suministrar energía a la red entre las 21

y las 23, que es cuando se suele producir el mayor pico de demanda, en el punto de

recarga eléctrica instalado en los garajes de las casas.

Otra opción para suavizar la curva de demanda y aumentar la eficacia del

sistema es la utilización de sistemas de almacenamiento de energía. Pueden

trabajar de la misma manera que el coche eléctrico, es decir, pueden cargarse en

horas nocturnas (horas valle) y generar parte de la energía almacenada entre las 14

y las 22. En este sentido el comercializador y/o gestor de puntos de recarga jugarán

un papel fundamental para la eficiencia del sistema.

SINERGIAS DE AMBOS SECTORES (Transporte y Energía)

El sector del transporte es el sector que más contribuye al consumo de energía final.

En el año 2009 la participación del sector transporte en el consumo total de energía

final supuso un 40%, alcanzando 36.385 ktep, un 7,4% menos que el año anterior

(Figura 3). Prácticamente la totalidad de este consumo (98,7%) tuvo su origen en los




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derivados del petróleo y el 1,3% restante en electricidad, y, además, representa más

de la cuarta parte de las emisiones totales de CO2 en España – el 25,4 % -,

correspondiendo al transporte por carretera del orden del 80% del consumo

energético del sector y del 90% de sus emisiones de CO2.

Figura 3 - Evolución del consumo de energía final para el transporte en la UE-27 y España

Figura 4 - Consumo de energía final por modo de transporte en la Unión Europea.




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En la figura 4 se muestra el consumo de energía final por modo de transporte y se

pone de manifiesto que el transporte por carretera supone por encima de un tercio

respecto a los otros modos de transporte. Atendiendo a la industria de automoción,

una clara tendencia tecnológica de la misma es la progresiva electrificación del

llamado “drive train” o tren de potencia del mismo, así como de otros elementos

auxiliares (figura 5), siendo en estos momentos una realidad la tecnología híbrida en

el mercado, que desembocará en un futuro próximo en la mejora de los vehículos

híbridos y en el vehículo eléctrico. En la figura 5 se aprecia que la velocidad de

desarrollo del vehículo eléctrico depende del desarrollo de la tecnología de las

baterías. Sin esta electrificación progresiva resultará muy difícil cumplir, para los

fabricantes, los distintos objetivos planteados por el Reglamento (CE) Nº 443/2009

de reducción de emisiones de CO2 para los vehículos turismo. Del mismo modo, la

necesidad de las ciudades de cumplir los requisitos de calidad del aire señalados por

la Directiva 2008/50/CE marcarán un conjunto de actuaciones en el futuro donde se

primará la movilidad limpia, con una especial atención a los vehículos eléctricos para

el mantenimiento de la actividad productiva y el desplazamiento de las personas.

En la práctica totalidad de los países de nuestro entorno europeo y de la OCDE se

están implementando políticas de apoyo al vehículo eléctrico como muestra la figura

6, pues éste mejora la eficiencia energética (contemplando el actual rendimiento de

generación del mix español), reduce las emisiones de CO2 y de contaminantes en

las ciudades y además, permite la reducción de dependencia del petróleo y la

utilización de fuentes de energía autóctonas, que en el caso de España implica el

aprovechamiento de sus fuentes de generación libres de CO2, en especial, de las

energías renovables que ya representan el 20% de la generación eléctrica y que en

2020 deberán suponer el 40%.




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Figura 5 - Mapa del vehículo eléctrico.

Figura 6 - Alianzas entre fabricantes para el desarrollo del mercado de vehículos eléctricos.




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MEDIO AMBIENTE URBANO. El vehículo eléctrico no genera ningún tipo de

emisiones durante su utilización en modo eléctrico en el punto de uso, evitando, por

tanto, la emisión de gases contaminantes en el ámbito urbano que tan necesario

resulta para la mejora de la calidad del aire de las ciudades y para la salubridad de

los ciudadanos que las habitan.

Además la ausencia de contaminación acústica debida al funcionamiento del motor

de combustión interna, permite disminuir el nivel de decibelios emitidos por el

vehículo en movimiento, mejorando el nivel acústico general de las ciudades.

INDUSTRIA. El vehículo eléctrico ofrece nuevas posibilidades y oportunidades para

el sector industrial, especialmente en el sector de la automoción pero también las

relacionadas con las TIC y equipos eléctricos, aumentando el valor añadido de los

productos desarrollados y fabricados en España, mejorando la competitividad del

país.

SOBRE EL EFECTO INVERNADERO. Ya existen en el mercado vehículos de

combustión interna con un nivel de consumo muy bajo y, consecuentemente, con

menores emisiones de CO2. Sin embargo, en el caso de los vehículos eléctricos, se

aprovechan doblemente las políticas de reducción de las emisiones de CO2 ya que

computa las reducciones de emisiones alcanzadas en el sector energético con el

sector del transporte. En efecto, las emisiones de CO2 procedentes de la movilidad

eléctrica dependen del origen de la electricidad para la recarga de las baterías, lo

que significa que aquellas políticas energéticas que apuestan por un mix de

generación con menores emisiones de CO2, van a disfrutar de mayores

consecuencias medioambientales positivas para el sector del transporte, si existe

una movilidad eléctrica significativa. Y, en definitiva, nos encontramos con aspectos

horizontales, medioambientalmente positivos, en la política energética en vigor en el

ámbito de la Unión Europa, ya que las actuaciones en un sector regulado en las

emisiones de CO2 como es la generación de energía eléctrica, traerán

consecuencias positivas para las emisiones de un sector “difuso” como es el de




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transporte. En conclusión, cualquier esfuerzo del sector energético para mejorar su

eficiencia energética y medioambiental repercutirá positivamente, de forma directa,

en un sector como el del transporte ante el escenario de implantación del vehículo

eléctrico.

SOBRE LA EFICIENCIA ENERGETICA GLOBAL. El consumo de electricidad de la

red derivado de la recarga de baterías de los vehículos eléctricos e híbridos tiene la

gran ventaja de poder realizarse en el momento elegido, al disponerse de las

baterías de los vehículos como sistemas de acumulación de la misma, lo que no

ocurre con la mayoría de los consumos eléctricos. Esto le confiere la cualidad de ser

susceptible de gestionarse en beneficio del conjunto del sistema eléctrico. Esta

gestión de la demanda permite el aprovechamiento de los valles del sistema

eléctrico y con ello:

- Se favorece el rendimiento global del sistema eléctrico por el aplanamiento de

la curva de demanda.

- Se facilita la optimización de la infraestructura actual puesto que no se requiere de

una ampliación de la potencia de generación para atender al consumo de un parque

de vehículos eléctricos que suponga la cuarta parte del parque actual español.

- Se potencia que esta nueva demanda genere una mejora en la amortización

financiera de las inversiones realizadas y un menor coste de la electricidad que

a su vez debe favorecer la alternativa de la movilidad eléctrica frente a la del

petróleo.

- Finalmente, permite una mayor incorporación de energías renovables en los

momentos de menor demanda, sin riesgo de desestabilización del sistema.

DEPENDENCIA DEL PETROLEO. Uno de los grandes problemas que presenta

nuestro país es la elevada dependencia energética que tiene del exterior, en

especial, del consumo de derivados del petróleo. La introducción de la movilidad

eléctrica en el transporte por carretera ayuda a reducir de forma directa la

dependencia energética del petróleo y en definitiva, la dependencia energética del




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exterior, favoreciendo el consumo de las energías autóctonas, especialmente las

derivadas de fuentes renovables y reduciendo el déficit exterior.

2.2. Justificación económica.

Como se ha mencionado anteriormente, los sistemas de acumulación de energía

aumentan el factor de utilización de la instalación, es decir, desde un punto de vista

estrictamente económico, las instalaciones tienen la posibilidad de aumentar su

oferta de energía eléctrica, de manera que la rentabilidad y el beneficio económico

aumentan.

Las restricciones de energía eólica originadas por el descenso de la demanda

en horas valle, que suponen una pérdida de oportunidad de dicha fuente de energía

renovable, según los datos recogidos por la AEE, para el 2010 son de 309,3 MW.

Esta cantidad supone una pérdida de oportunidad del 1,54%. Este excedente de

energía podría haber sido cubierto con 90438 vehículos eléctricos con baterías de

24 kWh de capacidad. Además 6,5 millones de vehículos eléctricos podrían

integrarse en el sistema eléctrico sin inversión en activos de generación y transporte,

siempre que se hiciera una recarga inteligente de baterías, durante las horas valle

de la curva de la demanda eléctrica.

Por otro lado, la ley de economía sostenible redactada por el ministerio de industria y

energía de España y aprobada por consejo de ministros el día 19 de marzo de 2.010

va enfocada a favorecer y facilitar la generación distribuida, por tanto desde el punto

de vista económico parece asegurado el incremento de las instalaciones de

generación eólicas a corto/medio plazo.

Entre los aspectos de competitividad más importantes para la industria está el hecho

de evitar la dependencia en cuanto a fuentes energéticas que, en muchos casos,

suponen una parte importante del coste de los productos. El hecho de disponer de

fuentes renovables de energía hace que la implantación de vehículos eléctricos,

como consumidores fundamentales, de esas fuentes, suponga un aliciente para su

desarrollo. La inestabilidad de los diversos aspectos geopolíticos en diversas partes

del mundo y el alto grado de condicionamientos de los parámetros económicos a

dichos aspectos, hace que se favorezcan políticas de independencia energética. En




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la figura 7 se muestra la evolución del precio del barril de petróleo y aunque destaca

el máximo histórico en el año 2008-2009, es bastante significativo el aumento

ocurrido en el año 2.011, siendo el segundo máximo histórico. La curva sigue

subiendo hasta que la oferta/demanda la ralentize.

Figura 7- Evolución del precio del barril de petróleo.

En este proyecto se estudia el ahorro de petróleo que conlleva la utilización de un

vehículo eléctrico, respecto a un vehículo de combustión.

2.3. Marco legal.

La legislación actual establece algunos objetivos, entre los que se encuentran los

recogidos en los artículos 77 y 78, de la Ley 2/2011, de 4 de marzo de Economía

Sostenible, en su capítulo I, de modelo energético sostenible ,y que indican lo

siguiente (así mismo, este estudio podría contribuir a su consecución):

“Se establece un objetivo nacional mínimo de participación de las energías

renovables en el consumo de energía final bruto del 20 % en 2020. Este objetivo

deberá alcanzarse con una cuota de energía procedente de energías renovables en

todos los tipos de transporte en 2020 que sea como mínimo equivalente al 10 % del

consumo final de energía del sector transporte.




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Del mismo modo, se adoptarán las estrategias y las medidas necesarias para lograr

un objetivo general de reducción de la demanda de energía primaria, sobre el

escenario tendencial en ausencia de políticas activas de ahorro y eficiencia

energética, coherente con el objetivo establecido para la Unión Europea del 20 % en

2020 y con los objetivos de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero

asumidos por España.”

2.4. Planes y programas nacionales.

Actualmente existen varios planes y programas nacionales, dotados de

inversiones económicas que favorecen la introducción del vehículo eléctrico como

medio de transporte urbano y como nuevo elemento en el sistema energético

actual.

Algunos de estos planes se mencionan a continuación:

El Plan de Activación del Ahorro y la Eficiencia Energética 2008-2011,

aprobado por el Consejo de Ministros el 1/8/2008, incluye en su Medida nº4 el

desarrollo de un proyecto piloto de introducción de vehículos eléctricos con el

objetivo de demostrar la viabilidad técnica, energética y económica de esta

alternativa de movilidad, así como incluye un plan de medidas sobre

subvenciones para medios de transporte en función de la implantación de

criterios de eficiencia.

El Proyecto MOVELE (proyecto piloto de movilidad eléctrica), gestionado

y coordinado por el IDAE, consiste en la introducción en un plazo dos años

(2009 y 2010), dentro de entornos urbanos, de 2.000 vehículos eléctricos de

diversas categorías, prestaciones y tecnologías, en un colectivo amplio de

empresas, instituciones y particulares, así como en la instalación de 500

puntos de recarga para estos vehículos.




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El Proyecto contaba con una dotación de 10 millones de Euros destinados a los

siguientes conceptos: Infraestructuras de recarga (15%), Gestión, estudios y

seguimiento (5%) y Adquisición de Vehículos (80%):

Resultados esperados:

•Vehículos eléctricos: 2.000

•Puntos de recarga públicos: 500

•Consumo de petróleo evitado: 4.282 tep/año (4,7 millones l./año)

•Consumo de energía: 1.510 tep/año (7.000 MWh/año)

•Ahorro energético: 2.772 tep/año

•Emisiones evitadas: 4.471 tCO2 /año (411 g/kWh)

El Plan estratégico VE 2010.

La Estrategia Integral para el Impulso del Vehículo Eléctrico 2010-2014, surge para

apoyar el despliegue de Vehículos eléctricos que cuenta con un gran número

de beneficios entre los que destacan:

Mejora la eficiencia energética, contemplando el actual rendimiento de

generación del mix español.




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Ayuda a reducir las emisiones de Gases de Efecto Invernadero,

principalmente CO2.

Reducir las emisiones de gases contaminantes que causan insalubridad. Nos

permite cumplir los requisitos de calidad del aire en las ciudades señalados

por la Directiva 2008/50/CE.

Permite la reducción estratégica de dependencia del petróleo y la utilización de

fuentes de energía autóctonas, que en el caso de España implica el

aprovechamiento de sus fuentes de generación libres de CO2, en especial, de las

energías renovables que ya representan el 20% de la generación eléctrica y que en

2020 deberán suponer el 40%.

La Estrategia de Ahorro y Eficiencia Energética en España (E4) 2004-

2012. Compromisos en materia de reducción de gases invernadero.

Figura 8- Programa de nuevas matriculaciones de VE.

El objetivo es conseguir en el año 2014 la presencia de 250.000 unidades en

España, según muestra la figura 8. De los cuales el 85% en flotas y el 15% restante




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para vehículos de uso personal. Para alcanzar el objetivo, el impulso del vehículo

eléctrico debe superar las barreras a su introducción en el mercado, a través de

cuatro líneas o ámbitos de actuación:

El impulso a la demanda y la promoción del uso del VE.

El fomento de su industrialización y de la I+D+i específica para el VE.

El desarrollo de la infraestructura de carga y su gestión energética.

Sin embargo, la infraestructura asociada a los Servicios de Recarga Energética

estará sujeta a iniciativas empresariales en este sentido.

El Programa prevé que existan en horizonte 2014, 62.000 puntos en

domicilios particulares; 263.000 puntos en aparcamientos de flotas; 12.150 en

aparcamientos públicos, y 6.200 en vías públicas. Se prevé igualmente instalar a

partir del 2011 un punto de carga rápida por cada 400 puntos de carga de vehículos

particulares, por lo que en el horizonte 2014 se alcanzarían 160 estaciones.

capÍtulo 2: justificaciÓn. 2.1. justificación técnica del...

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