Pontificia Universidad Católica de Chile Escuela de Ingeniería Departamento de Ingeniería Eléctrica Mercados Eléctricos - IEE3372

Conexión de vehículos a la red eléctrica

(V2G)

Alumnos:

Fabián Ávila Fabián González

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Tabla de Contenidos

1. Objetivos del trabajo .................................................................................................... 2

2. Introducción ................................................................................................................. 2

3. Descripción Vehículos conectados a la red ................................................................. 3

3.1. EV a baterías (BEV) .................................................................................................... 3

3.2. EV con celda de combustible (FCV) ........................................................................... 3

3.3. VE hibrido (HEV) ....................................................................................................... 3

4. Infraestructura requerida para V2G ............................................................................. 5

4.1. Conexiones a la red...................................................................................................... 5

4.2. Control y Comunicaciones .......................................................................................... 6

5. Servicios Complementarios y Aplicaciones en US ..................................................... 7

5.1. Energía de carga base .................................................................................................. 8

5.2. Energía de punta .......................................................................................................... 9

5.3. Servicios Complementarios ......................................................................................... 9

5.3.1. Reservas de giro .......................................................................................................... 9

5.3.2. Regulación ................................................................................................................. 10

5.4. Aplicaciones en US ................................................................................................... 11

6. Regulación necesaria ................................................................................................. 12

7. Costos y comparación con alternativas convencionales ............................................ 14

7.1. Capacidad de potencia V2G ...................................................................................... 14

7.2. Potencia limitada por la línea .................................................................................... 14

7.3. Potencia limitada por la energía almacenada en el vehículo ..................................... 14

7.4. Ingresos v/s costos de V2G ....................................................................................... 15

7.4.1. Ecuación de ingresos ................................................................................................. 15

7.4.2. Ecuación de costos..................................................................................................... 17

7.5. Costo monómico ........................................................................................................ 20

7.6. Comparación con otras tecnologías de generación.................................................... 21

7.6.1. Capacidad Instalada ................................................................................................... 21

7.7. Costos marginales SIC .............................................................................................. 22

7.8. Costos marginales SING ........................................................................................... 23

7.9. Tarifas BT1 ................................................................................................................ 24

8. Conclusiones .............................................................................................................. 25

9. Referencias ................................................................................................................ 26

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1. Objetivos del trabajo

El objetivo es investigar las aplicaciones de conexión de autos en gran escala a la red

eléctrica, principalmente en la oferta de servicios complementarios. Por lo tanto, la investigación abordará los beneficios de vender electricidad desde V2G al sistema en horas peak, e identificará cuáles servicios complementarios podrían ser ofrecidos por V2G, entre ellos regulación de frecuencia primaria y secundaria y partida rápida del sistema. También se analizará cuál es la regulación y la infraestructura requerida para conectar autos a la red. El trabajo también identificará los costos en US$/kW y mills/kWh ofertados por V2G y la comparará con los costos de las opciones convencionales. 2. Introducción

Los mayores fabricantes de vehículos del mundo han anunciado un mercado masivo de vehículos eléctricos. Los vehículos son propulsados por baterías y recargados de la red eléctrica. Existen también otras configuraciones híbridas de vehículos eléctricos que incluyen celdas de combustible, pero las utilidades eléctricas sólo involucran a vehículos propulsados únicamente por electricidad. Abordaremos la relación entre los vehículos eléctricos y el sistema de alimentación eléctrica. La red podría proveer potencia al vehículo tanto como recibir potencia del vehículo.

En Estados Unidos ya existen compañías eléctricas estudiando las aplicaciones del V2G.

La Compañía de Electricidad y Gas del Pacifico (PG&E), con sede en San Francisco, experimenta con V2G utilizando una flota de varios Toyota Prius en el campus de Google en California. Por otro lado la isla danesa de Bornholm, de 40.000 habitantes, a través del proyecto europeo EDISON (Electric Vehicles in a Distributed and Integrated Market using Sustainable Energy and Open Networks) [29] planea aprovechar la energía eólica sobrante para conectarla a vehículos eléctricos y almacenar en sus baterías esta electricidad excedente, que mas tarde podría inyectarse a la red. [28]

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3. Descripción Vehículos conectados a la red

Existen tres tipos de vehículos eléctricos (EV) que son relevantes para el concepto de V2G: (1) a batería, (2) con celda de combustible e (3) hibrido. Estos vehículos utilizan un motor eléctrico para proveer toda o parte de la energía mecánica necesaria para mover el vehículo. Además, estos VE tienen integrada la electrónica de potencia necesaria para variar la frecuencia de su corriente alterna a los 50 Hz de la red.

3.1. EV a baterías (BEV)

Estos VE almacenan energía electroquímica en las baterías. Actualmente la opción

más barata es la de baterías de plomo-acido, pero existen nuevos avances en las baterías de níquel-hidruro metálico (NiMH), de iones de litio (Li-ion) y de polímero de iones de litio que las están haciendo más competitivas debido a ciclos de vida más largos, menor tamaño y menor peso que las de plomo-acido.

Este tipo de VE se conecta a la red para cargar sus baterías y se desconecta para

viajar. Debido a que ya cuenta con la electrónica para conectarse a la red para recargar sus baterías, los costos de implementar V2G son mínimos.

3.2. EV con celda de combustible (FCV)

Los VE con celda de combustible almacenan energía en forma de moléculas de

hidrogeno (H2), las que junto al oxigeno presente en la atmosfera se encargan de alimentar una celda de combustible, produciendo así electricidad, calor y agua. Los principales problemas de esta tecnología es el almacenamiento de hidrogeno, la infraestructura para su distribución y las pérdidas durante el proceso de conversión. A pesar de esto se siguen desarrollando soluciones como comprimir el hidrogeno en forma de gas, vincularlo a metales o producirlo a bordo a partir de gas natural, metanol, gasolina u otro combustible.

Estos VE cuentan con electrónica de potencia integrada capaz de regular la

frecuencia de la electricidad alterna que producen a los 50 Hz de la red, por lo que es posible su implementación a V2G con costos adicionales para el usuario.

3.3. VE hibrido (HEV)

Los VE híbridos combinan el motor de combustión interna (CI) con un motor

eléctrico utilizando pequeñas baterías y un sistema de frenado regenerativo. Este último consiste en convertir la energía cinética que se pierde en el frenado de los vehículos en

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forma de calor, en energía eléctrica que se almacena en pequeñas baterías para alimentar el motor eléctrico que mueve las ruedas en conjunto con el motor CI.

Debido a que los híbridos más desarrollados actualmente tienen baterías muy

pequeñas (1 a 2 kWh) y no presentan conectores eléctricos a la red nos centraremos en los VE híbridos enchufables en desarrollo [4] que tienen baterías mas grandes (4,5 a 9 kWh) y conexión a la red para recargarlas [5]. Dadas estas mejoras, los VE híbridos enchufables son los relevantes para V2G, ya que pueden conectarse a la red y entregar energía almacenada en la batería o generándola con el motor CI.

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4. Infraestructura requerida para V2G

Figura 4: Esquema ilustrativo de líneas y control para conexiones entre vehículos y la red

eléctrica [1].

4.1. Conexiones a la red

Nos referiremos específicamente a las conexiones existentes para los BEV y los

HEV enchufables que se encuentran en pleno desarrollo, ya que los FCV aun no poseen este tipo de conexiones.

En Estados Unidos la SAE (Society of Automotive Engineers) [6] junto con el

CARB (California Air Resources Board) y el NEC (National Electrical Code) [8] ya ha establecido un estándar para los tres niveles de carga de la red (Tabla 4.1). Además, el CARB recientemente ha establecido el conector estándar de la SAE J1772 [7] como la interface a utilizar en California y se espera que sea adquirido por el resto del mundo.

Nivel Rango

1 120V AC monofase con corrientes hasta los 16 A 2 208 a 240V AC monofase con corrientes de 12 a 80 A

3 300 a 500V DC con corrientes del orden de 100s de A

Tabla 4.1.1

Los BEV y HEV enchufables con cargadores a bordo ya cuentan con todas las conexiones físicas necesarias para conectarse a la red, ya que deben recargar sus baterías. Gracias a esto, ajustar la electrónica de potencia de tal manera que el sistema sea capaz de inyectar energía a la red tiene un costo mínimo si se incorpora al diseño del vehículo desde un comienzo [10].

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La capacidad eléctrica de la conexión al vehículo está limitada por el máximo nivel de potencia (kW) que soporte esta. Para la mayoría de los EV un nivel 2 de carga conductiva es suficiente, con estaciones de carga estándar a 32 A [11] se ofrece una capacidad de 6,6 kW (208 V * 32 A) para edificios comerciales y 7,7 kW (240 V * 32 A) para zonas residenciales.

Cargas más rápidas e inyecciones de potencia mayores a la red, pueden lograrse con

conectores del orden de los 100 A. Conectores actuales de 80 A son razonables para los hogares, mientras que pudiesen aumentar su capacidad para zonas comerciales. De esta forma las capacidades de edificios comerciales y residenciales aumentarían a 16,6 kW (208 V * 80 A) y 19,2 kW (240 V * 80 A) respectivamente. Se estiman costos para estas estaciones de entre 1.000 y 2.000 US$.

En la tabla 4.1.2 podemos ver un cuadro comparativo de la capacidad de carga y

descarga de cargadores estándar.

Cargadores Volts Amps kW

Cargador publico nivel 2 208 32 6,6 Cargador residencial nivel 2 240 32 7,7

Cargador publico nivel 3 (línea 100 A) 208 80 16,6

Cargador residencial nivel 3 (línea 100 A) 240 80 19,2 Tabla 4.1.2

Para conectar el vehículo a la red es necesario tener un medidor que pueda llevar

cuenta tanto de la energía que el vehículo inyecta a la red, cómo de la energía con que este se carga. El medidor bidireccional debe encargarse de coordinar estas cargas con las de la casa o el edificio y supone costos adicionales de instalación y cableado. De [14] obtenemos valores estimados para la instalación de la circuitería necesaria para un cargador EV de 240 V de 700 a 800 US$ (100 US$ si se construye junto con la casa). Además el cargador externo incluyendo el cable para la conexión costaría entre 200 y 500 US$ (este cargador puede estar a bordo del EV y no tener costo adicional) y el medidor inteligente tiene un costo de entre 200 y 400 US$. Finalmente el costo de instalar un sistema de carga en el hogar tendría un valor aproximado de 1500 US$.

4.2. Control y Comunicaciones

Para que el usuario tenga un control de la carga almacenada en las baterías y el

combustible que está dispuesto a ofrecer a la red, es necesario que el EV cuente con controlador a bordo configurable con las necesidades del usuario, pudiendo este limitar el nivel de carga de la batería considerando su próximo viaje o la disponibilidad de

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generar energía con el motor a combustible. En la figura 4.2 se muestra un esquema de lo que podría ser este controlador a bordo.

Figura 4.2: Controlador de Carga Automático [23].

De esta manera y con estas limitaciones se permite al usuario limitar la perdida de

rango de viaje para su vehículo y monitorear las transacciones de energía. El control a bordo sugerido es para un BEV, pero controladores de FCV y HEV deberían ser muy similares e incluir la cantidad de combustible en el estanque solamente.

Este control inteligente permite al operario de la red obtener la energía de varios vehículos, pero dejar energía almacenada suficiente al conductor para poder realizar sus viajes. De esta forma el operario de la red puede utilizar la energía de este vehículo mientras se mantenga una carga suficiente para cumplir los requerimientos del usuario. Para evitar la planificación por parte del usuario, existe la alternativa de que el vehículo "aprenda" patrones de conducción antes de estar listo para conectarse a la red, evitando una mayor intromisión del conductor.

5. Servicios Complementarios y Aplicaciones en US

Los servicios que V2G puede ofrecer a los mercados eléctricos dependen de los tipos de

autos que se conecten a la red. Estos tipos son: (1) celdas de combustible, que producen electricidad de un combustible como el hidrogeno, (2) batería, que almacena electricidad de la red en celdas electroquímicas, y (3) hibrido, que produce electricidad con un motor de combustión interna y puede alternar a un generador eléctrico. Cada uno de estos vehículos posee características que lo hacen más adecuado para satisfacer las distintas necesidades de la red eléctrica.

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Existen cuatro mercados eléctricos relevantes para V2G: (1) carga base, (2) peak, (3) reservas de giro y (4) regulación. La energía de carga base es la que se encuentra activa la mayor parte del tiempo. La energía de peak es la usada durante los periodos de mayor demanda. Las reservas de giro son entregadas por generadores listos para responder rápidamente en caso de fallas en la red, siendo una componente de mucho valor en los mercados eléctricos. Por último, la regulación se encarga de mantener el voltaje y la frecuencia de la red estable. Finalmente, mientras que la regulación y las reservas en giro se paga por hora de capacidad disponible, la carga base y peak se paga por kWh generado.

Basándonos en los cálculos sugeridos en el articulo [22] observamos que el V2G no

sería competitivo en los mercados de energía de carga base, mientras que en algunos casos sería factible para otorgar energía peak. Por otro lado se encuentra potencial en el mercado de reserva activa y en mayor medida en el de regulación.

5.1. Energía de carga base

En el caso de la energía de carga base, esta es más eficiente si es entregada por

plantas generadoras, ya que su costo por kWh es menor (en el caso de las plantas de carbón aproximadamente 76.2 mills/kWh [25]) y tienen una vida útil mayor. En cambio, los vehículos eléctricos tienen costos por kWh mayores que se pueden ver en la tabla 5.1

Tipo de EV Costo de la electricidad generada en mills/kWh

Baterías plomo-acido 230 Baterías NiMH 450

Baterías NiCd 320 Celdas de combustible 90-380

Motores de vehículos hibrido 190-210

Tabla 5.1

Esta simple comparación de costos nos muestra que la generación de energía por parte de los EV para la carga base no es competitiva. Además diversos estudios han llegado a la misma conclusión [23] [24] porque precisamente la carga base ataca los puntos débiles de V2G: limitado almacenamiento de energía, corta vida útil de los componentes y altos costos por kWh, y no aprovecha sus fortalezas: rápidos tiempos de respuesta, bajos costos de energía en espera y bajos costos de capital por kWh, fortalezas que la hacen más apta para los servicios eléctricos complementarios como la reserva en giro y la regulación.

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5.2. Energía de punta

La energía de punta es comprada o generada cuando se esperan altos consumos en

el día, por ejemplo en las tardes de pleno verano. Esta energía generalmente es generada por centrales que pueden ser encendidas por cortos periodos y que no tienen un tiempo de preparación para entrar al sistema, como las turbinas a gas. Como la energía de punta es necesaria solamente unas cientos de horas al año, es económicamente factible pensar en generadores de bajo costo de capital como lo son los EV a pesar de que su costo de generación por kWh sea mayor. La duración requerida de las unidades de punta es generalmente entre 3 y 5 hrs, lo que es factible para V2G, pero con la limitación de la capacidad de carga de cada vehículo debería seria más adecuado ofrecer esta energía en flotas de vehículos o cuando estos se estén recargando con otro combustible en el caso de HEV y FCV. En la figura 5.2 a continuación se muestra el nivel de carga de una batería que entrega energía de punta al sistema.

Figura 5.2 [13]

5.3. Servicios Complementarios

Los servicios complementarios son muy importantes para la operación óptima de la red, ya que tan solo en los Estados Unidos se gastan 12 billones US$ al año en estos servicios (80% en regulación y 20 en reservas en giro), lo que representa entre un 5 y 10% del costo energético del país.

5.3.1. Reservas de giro

Las reservas en giro se refieren a la capacidad de generación adicional que puede entregar energía a la red en poco tiempo (menos de 10 min) una vez que el operador la solicita. Los generadores dispuestos para este servicio están sincronizados a la red y se mantienen conectados a la espera de se necesite generación adicional para cambios en la carga de la red.

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Las reservas en giro se pagan por el tiempo que estas están disponibles, independiente de si produce energía o no, y en el caso de producir también se le paga por la cantidad generada adicional. Estos contratos son relevantes para V2G ya que se les pagaría a los EV solo por estar conectados y disponibles a la red. Estos contratos además tienen limitado número de veces en que se puede solicitar la generación y el tiempo durante el que se pide esta. Como mientras más tiempo pueda despacharse energía mas paga el sistema, los HEV y FCV tienen ventaja sobre los BEV ya que pueden almacenar más energía en forma de combustible.

5.3.2. Regulación

La regulación o control de frecuencia se utiliza para ajustar la frecuencia y voltaje de la red igualando la generación a la carga demandada por el sistema. La regulación debe estar supervisada en tiempo real por el operador de la red para que sea capaz de responder a fluctuaciones de la red con un tiempo de respuesta menor a un minuto, aumentando o disminuyendo la salida de la unidad generadora disponible para estos fines. Algunos mercados eléctricos separan regulación en: “regulación al alza” y “regulación a la baja”. La primera incrementa la generación de energía desde una línea base y la segunda disminuye la energía generada desde una línea base. Por ejemplo, si la carga es mayor a la generación, el voltaje y la frecuencia caen, indicando que es necesaria una regulación al alza. Este servicio se contrata tanto para regulación al alza, como a la baja, o ambas. La regulación es controlada automáticamente mediante la conexión directa con el operador de la red. Comparada con las reservas en giro, son llamadas con mayor frecuencia (cerca de 400 veces al día), requiere un menor tiempo de respuesta (1 minuto o menos) y es necesaria que funcione durante menos tiempo (pocos minutos). En la figura 5.3.2 podemos ver el flujo de potencia y estado de carga de la batería de un vehículo conectado a la red para entregar servicio de regulación.

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Figura 5.3.2

5.4. Aplicaciones en US

La compañía PG&E fue la primera compañía de servicios públicos en demostrar la tecnología V2G de suministro, convirtiendo cada EV en un potencial sistema de almacenaje de energía en el campus de Google el año 2007 [27]. El Programa de Aire Limpio de PG&E [26] apoya a clientes que utilizan vehículos de combustible alternativo en sus flotas. Ayudó a financiar la compra del primer autobús escolar diesel-eléctrico híbrido de enchufe de California en el Distrito Escolar Unificado de Napa Valley, el cual opera una flota completa de autobuses escolares de gas natural. PG&E también proporciona apoyo extensivo a una compañía de camionetas basada en Oakland, la cual solicitó fondos federales para 30 nuevos camiones de gas natural comprimido y 30 sistemas de conversión adicionales.

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6. Regulación necesaria

Existen distintas características jurídicas que motivan el desarrollo del V2G más prematuramente en algunos lugares que en otros. Las regulaciones identificadas que promueven el desarrollo del V2G en estos lugares son:

1. Se desea mejorar la red, aumentar la confiabilidad y la estabilidad de frecuencia, pero evitando la construcción de nuevas plantas y líneas de transmisión.

2. Se tienen altos costos de regulación y reservas en giro. 3. Se tienen merados competitivos para la regulación y las reservas en giro. 4. Se tienen políticas para alentar el desarrollo de nuevas tecnologías. 5. Se tiene una entidad o entidades coordinadas gubernamentales con jurisdicción sobre

el transporte y la electricidad. 6. Existe un compromiso de aumentar la generación de energía renovable. 7. Existe un compromiso de reducir las emisiones de dióxido de carbono. 8. Se encuentran ubicados en áreas geográficas donde las grandes flotas de vehículos

están cerca de las fuentes eólicas.

Actualmente en el mercado chileno están disponibles los HEV Toyota Prius [17] y el Honda Civic [18] con precios de $ 17.690.000 y $15.490.000 respectivamente. En comparación con el coste de otros vehículos convencionales, estas opciones resultan bastante costosas, como puede verse en la tabla comparativa 6.1 [19]

Modelo Precio Toyota Prius III 1.8i HSD 17.690.000 pesos (22.637 €)

Honda Civic Hybrid 1.3 15.490.000 pesos (19.721 €)

Nissan Teana 2.5i V6 Aut. 15.490.000 pesos (19.721 €)

Mazda6 2.0i V Aut. 14.990.000 pesos (19.084 €) BMW 120i Aut. 18.300.000 pesos (23.403 €)

Samsung SM7 3.5i V6 217 CV 15.490.000 pesos (19.721 €) Subaru Legacy 2.0i XA Aut. AWD 13.190.000 pesos (16.868 €)

Ford Explorer 4.0i V6 XLT Aut. 4x2 15.225.000 pesos (19.470 €)

Tabla 6.1

Debido a su precio, resulta necesaria una campaña mucho más agresiva para que estos vehículos puedan ofrecer precios más atractivos a los consumidores masivos y así poder alcanzar una participación significativa en el país.

Una buena iniciativa resulta ser la ley 20.259 promulgada por el Gobierno de Chile el 1

de marzo de 2008, la que otorga un beneficio especial a los propietarios de vehículos

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híbridos que bonifica el pago del permiso de circulación por 4 años consecutivos a quienes adquieran uno de estos modelos [20]. Debido a la reciente llegada de los HEV a nuestro país y para incentivar su adquisición, una buena medida sería prolongar los años de no pago de patente para compensar el mayor costo de estos vehículos.

Una de las primeras medidas impuestas en los Estados Unidos y que marca un paso a

seguir para el mercado chileno fue la de ofrecer una deducción de impuestos de hasta 2.000 US$ a los compradores de HEV. Actualmente se siguen ofreciendo deducciones de impuestos de hasta 3.000 US$ dependiendo del vehículo que se actualizan a medida que avanza el mercado. Otra medida aplicada en EE.UU es la de subvencionar un 10% del costo (hasta 4.000 US$) de convertir un vehículo cualquiera a uno eléctrico con conexión a la red [21].

Una vez que ingresan los autos al mercado es necesario tener estaciones de servicio

capaces de cargar y satisfacer las necesidades energéticas de los vehículos. Estas estaciones deben estar reglamentadas de tal manera que exista una libre competencia en el mercado, evitando los monopolios de distribución que podrían originar alzas en los precios de la electricidad para cargar los EV, y desincentivando así la inversión en estos por su alto costo de carga. De esta forma las estaciones podrían estar encargadas a la misma empresa de distribución que tendría que tener tarifas reguladas para que no hiciera uso de su condición de monopolio. Por otro lado, estaciones competitivas que compren su energía a la empresa de distribución es una opción más acorde a la libre competencia y que generaría mayor beneficio a los usuarios. En este caso también sería necesaria una regulación a la empresa de distribución para que no abusara de su condición de monopolio.

Por otro lado es necesario que las empresas encargadas de la distribución de la energía a

las casas y edificios comerciales regule la tarifa a pagar por el consumo, siendo necesario establecer una tarifa diferenciada según las horas del día para favorecer el consumo de la energía en horas valle y la venta de esta a las horas peak, entregando un beneficio al usuario e incentivando así el uso de V2G.

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7. Costos y comparación con alternativas convencionales

7.1. Capacidad de potencia V2G

Para saber cuánta potencia V2G puede suministrar un vehículo debemos estudiar 3 factores independientes que la limitan: (1) La capacidad de conducción de corriente de los alambres y otros circuitos que conectan al vehículo a través de las construcciones a la red, (2) la energía almacenada de un vehículo, dividida por la cantidad de tiempo que es utilizada y (3) la tasa de potencia máxima que permite la electrónica de potencia del vehículo. Estudiaremos el desarrollo de los factores (1) y (2) que son generalmente menores que (3). 7.2. Potencia limitada por la línea

Para comparar, por ejemplo, una casa tiene una capacidad máxima de potencia de 20-50KW, con un promedio más cercano a 1KW. Para calcular la potencia por los cables de las edificaciones sólo necesitaremos el voltaje y la capacidad de corriente: ��í��� � � Donde ��í��� es el límite de potencia impuesto por la línea en Watts, V=220V es el voltaje en la línea y A es la máxima corriente por la línea. Si tomamos un consumo típico de 50A y calculamos 220Vx50A = 11000W obtenemos una capacidad máxima de 11KW para este circuito. La potencia límite, para algunas casas, sería de 10Kw. Para edificios comerciales y construcciones residenciales como una casa eléctrica de servicio (agregando costos de capital) el límite podría ser 25Kw o más. 7.3. Potencia limitada por la energía almacenada en el vehículo

Otro límite impuesto a la potencia entregada por V2G es el tiempo viable de entrega de la energía almacenada en las baterías. La ecuación es la 1.1:

���í� �� � ��� � �� � ������í� ������� ����� Ecuación 1.1

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Donde ���í� �� es la Potencia del vehículo calculada en kW, �� es la energía almacenada disponible, como DC Kwh para el inversor, �� es la distancia conducida, en millas, desde que el almacén de energía estaba lleno, ��� es el rango del regulador requerido por el conductor, ���í� �� es la eficiencia del vehículo en millas/Kwh, ���� es la eficiencia de la conversión DC a AC del inversor y ����� es el tiempo en que la

energía almacenada del vehículo es despachada en horas. El valor de ����� dependerá del mercado eléctrico. Si nos encontramos en horas en

que la demanda es máxima, un valor razonable es 4 horas. Para reservas de giro, aunque los despachos típicos son de 10 minutos, usaremos ����� � 10 !"# para asegurarnos que los requerimientos de un contrato de una hora pueden cumplirse. La capacidad V2G está determinada por el menor valor entre ��í��� y ���í� ��. Por ejemplo la batería NiMH del Toyota RAV4 EV tiene una capacidad de 27.4Kwh, de la cual sólo está disponible 21.9Kwh (�� en la ecuación 1), porque la NiMH no debería ser descargada más allá del 80% de su capacidad total. La eficiencia del vehículo es de ���í� �� de 2.5 Miles/Kwh y asumimos una eficiencia del inversor ���� de 0.93. Con estos datos su ���í� �� su disponibilidad de potencia, con la regulación up y down es de 21.0 + 21.4Kw por 0.33 horas, y en las horas de consumo peak su capacidad es de 1.75Kw por 4 horas. 7.4. Ingresos v/s costos de V2G

El valor económico V2G son los ingresos menos los costos.

7.4.1. Ecuación de ingresos

La fórmula para calcular los ingresos depende del mercado en el que se vende la potencia V2G. Para mercados que pagan solo por energía, los ingresos son simplemente el producto del precio y la energía despachada:

" � $�%����� � $�%���������� Ecuación 1.2

Donde r son los ingresos totales en moneda nacional, $�% el precio de mercado de la electricidad en $/Kwh, ����� la potencia despachada en Kw y ����� es el tiempo total en que la potencia es despachada en horas. Sobre una base anual, los ingresos de potencia máxima serán calculados sólo sumando las horas en que el precio $�% es más alto que el costo de la energía V2G.

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Para reservas de giro y servicios de regulación, los ingresos derivan de 2 fuentes: pago por capacidad y pago por energía. El pago por capacidad es para la capacidad máxima contratada por la duración del tiempo, sin tener en cuenta si ésta es usada o no. Para V2G se paga sólo si los vehículos están estacionados y disponibles (con suficiente combustible o carga) y el contrato por estas horas ha sido confirmado. El pago por energía es por los Kwh producidos reales y es igual al de la ecuación 1.2. " � $���� ��� & � $�%�����

Ecuación 1.3

La ecuación 1.3 Incluye el pago por capacidad y el pago por energía. Donde $��� es el precio de la capacidad en $/Kw-h, $�% es el precio de la electricidad en $/Kwh, y P es la capacidad contratada disponible, el menor valor entre ��í��� y ���í� ��, y ��� & es el tiempo en horas en que el vehículo está conectado y

disponible. Para reservas de giro ����� es calculado como la suma de los despachos:

����� � ' ����������()*+,�-%

Donde .���� es el número de despachos, ����� la potencia de cada uno (presumiblemente igual a la del vehículo P) y ����� es la duración de cada despacho en horas. Un contrato de reserva de giro fija un máximo de 20 despachos por año y cada despacho dura típicamente 10 minutos de largo por lo que el total ����� será muy pequeño.

Para servicios de regulación pueden haber 400 despachos por día, variando en potencia (�����) . En la práctica, probablemente serán medidos como la energía

neta durante el periodo de tiempo medido. Para estimar los ingresos aproximaremos la suma de ����� mediante el despacho promedio al cociente del contrato,/�0� , definido como: /�0� , � ���������2�����2�

Y si reordenamos: ����� � /�0�����2�����2�

Entonces para los ingresos de servicios de regularización provisionados, la energía es estimada (no medida), en:

" � $���� ��� & � $�%/�0�� ��� &

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7.4.2. Ecuación de costos

El costo de de V2G se calcula a partir de la energía comprada, desgastes y costos de capital. La energía y el desgaste son ocasionados por el transporte y los costos de capital son los equipos adicionales necesitados para V2G (no por conducir). Asumiendo una base anual, la fórmula general para el costo es: 3 � 3����&í������ � 3��

Ecuación 1.4

Donde c es el costo total por año, 3����&í� es el costo por unidad de energía producida, ����� es la energía despachada en un año y 3�� es el costo de capital anualizado.

Para reservas de giro ����� sería calculado como ����� � ∑ ����������()*+,�-%

y reemplazado en la ecuación 1.4, para obtener el costo anual. Para regulación sustituimos ����� � /�0�� ��� & y el costo anual total de establecer un marco regulador es: 3 � 3��/�0�� ��� & � 3�� Donde 3�� es el costo por Kwh para producir electricidad. La ecuación para 3�� incluye un término de energía comprada y un término de degradación de equipos: 3�� � 3������� � 3� Donde 3�� es el costo de la energía comprada y 3� es el costo de la degradación de equipos (desgaste) debido al uso extra de V2G en $/Kwh de energía suministrada. El costo de la energía comprada 3�� es el costo de la electricidad, el hidrogeno, gas natural o gasolina expresado en las unidades de costo del combustible y ����� es la eficiencia de conversión del vehículo de combustible a electricidad. Entonces 3�� el costo de entrega de una unidad de electricidad se expresa en $/Kwh independiente del combustible del vehículo.

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Los costos de degradación 3� son calculados como desgaste por V2G debido al tiempo extra corriendo en una maquina híbrida o de celdas de combustible o ciclos extra de batería. Para vehículos de celdas de combustible o híbridos corriendo en un modo motor generador, los costos de degradación son: 3� � 3��&���5�

Donde 3��&��� es el costo de capital por Kw de la máquina o celda de

combustible, incluyendo el trabajo de reemplazo en $/Kwh y 5� es el tiempo de vida de la máquina o celda de combustible, en horas. Los costos de degradación están entonces expresados en $/Kwh. Para un vehículo de batería 3� es: 3� � 3��2567 Donde 3��2 es el costo de capital de batería (incluyendo la tarea de reemplazo) expresado en $, y 567 es el rendimiento de la energía del tiempo de vida de las baterías en Kwh para el régimen cíclico en particular. El costo de degradación es 0 si la vida del vehículo es menor que la máquina, celdas de combustible o vida de la batería debido a la degradación por la conducción adicional V2G o si la vida útil de la batería es alcanzada antes de la degradación 3� � 0. El tiempo de vida de una batería esta expresado frecuentemente en ciclos, medidos a una profundidad de descarga. Expresamos la vida de la batería en el rendimiento de la energía 567 definido como: 567 � 5��� 9:9 Donde 5� es el tiempo de vida en ciclos, �� es la energía total almacenada de la batería y DoD es la profundidad de descarga para la cual 5� fue determinada. Los ciclos menos profundos tienen menos impacto en la vida útil de las baterías que los ciclos más profundos. Por ejemplo una batería Saft Lithium ion muestra 3000 ciclos de vida al 100% de descarga y 1000000 de ciclos de vida al 3% de descarga. Los ciclos más profundos se aproximan a los usos de la batería V2G para máxima potencia o reservas de giro a más despachos, mientras que el ciclo de 3% está más cerca a los servicios de regulación.

19

Para tomar decisiones financieras, los cálculos son típicamente hechos sobre una base anual y los costos de capital están anualizados. Una manera de anualizar un costo único de capital es multiplicarlo por el factor de recuperación de capital (CRF): 3�� � 3�;/< � ;� �1 � =1 � �>0�

Donde 3�� es el costo de capital anualizado, 3� es el costo total de capital en $, d es la tasa de descuento, y n es el número de años que el dispositivo durará. Ejemplo: vehículo conducido eléctricamente a batería proporcionando servicios de regulación. Los parámetros de RAV4 EV son los siguientes:

Parámetros de ingresos Valor Comentarios

P(Kw) 15 Se asume P=Pline=Pdisp

Pcap($/Kw-h) 0,04

Precio promedio de las reservas de giro del mercado CAISO en

2003

Pe1($/Kwh) 0,1 Se asume el precio promedio de la energía Spot

tplug(h/year) 6570 Conectado diariamente, 18(h/día)x365 (días/año)

Rd-c 0,1 Se asume 20 envios al año, cado uno de 15Kw por 1 hora

r($) 4928 Ingresos

Parámetros de

costos Valor Comentarios

Cpe($/Kwh) 0,1 Se Asume comprada a costo eléctrico de retail

nsys(%) 73 Eficiencia eléctrica de un ciclo red-batería-red

Cbat($) 9890 350 ($/Kwh)°x27,4 $/Kwh+10h de trabajo de reemplazo x30 ($/h)

Cd($/Kwh) 0,075

Cen ($/Kwh) 0,21

Let(Kwh) 131520

La batería NiMH logra 2000 ciclos bajo tests de ciclo profundo.

Let=43840, para un superficial DoD asumimos 3xLet

Cc($) 1900

Costos incrementales de borde $400, actualización de cableado

$1500

Cac($/year) 304

asumiendo tasa de descuento d=10%, n=10 años, entonces

CRF=0,16

C($) 2374 Costos, asumiendo anteriormente que P=15Kw y tplug=6570h

20

Para los cálculos de ingresos y costos utilizaremos el RAV4 EV proporcionando regulación para el mercado 2003 CAISO. El ingreso lo calculamos con la fórmula:

" � $���� ��� & � $�%/�0�� ��� & Los ingresos totales calculados por esta ecuación son de $4928, con $3942 como pago por capacidad y $986 como pago por energía. Los costos para el RAV4 para proporcionar servicios de regulación son:

3 � 3��/�0�� ��� & � 3�� Son $2374. El beneficio neto es $4928-$2374 o $2554 por año.

7.5. Costo monómico

El precio monómico de la energía indica el costo promedio de un Kwh habida consideración del pago de potencia que se debe hacer. Es decir igual a: $�? � $�$?

Donde $� es el precio de la energía, $� el de la potencia, ? la cantidad total de energía consumida y $ la cantidad de potencia utilizada durante las horas del año en que el consumo es máximo. En nuestra ecuación de costos 3 � 3��/�0�� ��� & � 3�� correspondería a: 3��/�0�� ��� & � 3��/�0�� ��� & � 3����&í������ � 3�������

Obtenemos un costo monómico de 0.24089 $/Kwh ó 240,89mills/kWh

21

7.6. Comparación con otras tecnologías de generación

7.6.1. Capacidad Instalada

Observamos como la capacidad instalada ha evolucionado disminuyendo su variación anual promedio en los últimos 10 años.

22

Notamos que la evolución de la capacidad instalada ha sido mayormente de inversión térmica en los últimos diez años: 58% en 2000, 60% en 2005 y 65% en 2010. Apreciamos también que en 2010 aparece, en menor porcentaje, la energía Eólica como alternativa de aumento en capacidad instalada.

7.7. Costos marginales SIC

1

Los costos marginales de 2008 resultaron ser de en promedio de 204,1mills/Kwh, incrementándose en un 20,3% respecto a 2007 que a su vez ya había aumentado en un 270% respecto de 2006. El incremento en los costos marginales reflejó la revalorización del precio de los combustibles en los mercados internacionales: mientras el petróleo alcanzó valores de hasta 145US$/bbl en junio, el carbón alcanzó valores de hasta 150 US$/Ton en septiembre.

1 Informe anual de operación eléctrica año 2008 Ingenieros ElectroConsultores LTDA.

23

7.8. Costos marginales SING

Los costos marginales alcanzaron en promedio 199,8 US$/MWh durante el 2008, lo que representa un aumento de 76,8% respecto al año anterior, explicado en gran parte por el alza en el nivel de precios de los combustibles.

Comparación de costos de distintas alternativas de generación2

2 Fuente CNE

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7.9. Tarifas BT13

Valores netos con

IVA Area 1A Area 1A Area 1A

Tarifas de

suministro (a) (b) (c) Promedio

$C/IVA $C/IVA $C/IVA

Cargo fijo $/Kwh 623,12 708,4 720,1 683,873333

Energía Base $/Kwh 114,241 117,914 127,329 119,828

Valores netos sin

IVA Area 1A Area 1A Area 1A

Tarifas de

suministro (a) (b) (c) Promedio

$NETO $NETO $NETO

Cargo fijo $/Kwh 523,6302 595,2941 605,126 574,683433

Energía Base $/Kwh 96,0008 99,0873 106,9991 100,695733

Los costos BT1 de la electricidad son de 187.253781 MILLS/Kwh, en contraste con los 240,89MILLS/Kwh, de V2G.

3 Fuente Chilectra

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8. Conclusiones En el futuro también se espera que los vehículos eléctricos puedan servir para almacenar

energía y servir de respaldo para las fuentes de energía renovable como el sol, que tiene una generación de energía peak 4 hrs. antes de la demanda peak del sistema, y el viento que presenta mayor variabilidad en la generación.

Los costos monómicos de V2G siguen siendo elevados en el marco regulatorio actual.

Si bien la tendencia de los últimos 10 años es invertir en centrales térmicas, que aumentan el costo marginal de la electricidad, V2G podría ser una alternativa si cambiara el sistema de precios actual BT1 para consumos residenciales de baja tensión y existieran tarifas diferenciadas entre horas de consumo punta y horas de consumo valle. Así los autos podrían comprar energía más económica y utilizarla o venderla en horarios de mayor costo de esta. Si el costo de compra de energía bajara a la mitad, es decir 3�� � 0,05$/CD! el costo de la energía V2G sería de 170.084mills/Kwh, ya menor que el costo BT1, pero aún mayor que gran parte de las demás tecnologías.

Un rol fundamental de V2G en el futuro próximo, será entregar un soporte y respaldo a

las energías renovables que se espera sean las más usadas en el futuro. La intermitencia y la variabilidad de las dos fuentes más grandes de energía como son el sol y el viento, pueden ser controladas mediante el almacenamiento y respaldo que ofrecen los vehículos eléctricos. El respaldo mediante la generación de energía en caso de que las fuente renovable sea insuficiente (generación eólica) y de almacenamiento para absorber excedente energético y entregarlo más tarde (en el caso de la energía solar).

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9. Referencias

[1] W. Kempton, J. Tomic, Vehicle-to-grid power fundamentals (V2G): Calculating

capacity and net revenue, J. Power Sources, 2005. http://ver2009.inee.org.br/Downloads/KempTom-V2G-Fundamentals05.pdf [2] W. Kempton, J. Tomic, Vehicle-to-grid power implementation: From stabilizing the

grid to supporting large-scale renewable energy, J. Power Sources, 2005. http://www.udel.edu/V2G/KempTom-V2G-Implementation05.PDF

[3] A. López, D. Urrutia, Tendencias mundiales en el uso de la electricidad en el transporte (tecnologías, costos, perspectivas). Opciones para la región metropolitana, 2009.

http://web.ing.puc.cl/~power/mercados/transporteelec/index.html [4] CalCars, How Carmakers are Responding to the Plug-In Hybrid Opportunity,

http://www.calcars.org/carmakers.html [5] hybridCARS, A Comprehensive Guide to Plug-in Hybrids,

http://www.hybridcars.com/plug-in-hybrid-cars [6] Society of Automotive Engineers, SAE standard on EV charging connector J1772,

http://www.sae.org/mags/aei/7479 [8] International Electrotechnical Commission, International Standard IEC 62196,

http://webstore.iec.ch/preview/info_iec62196-1%7Bed1.0%7Den.pdf [7] California Air Resources Board settled on the SAE J1772 standard,

http://www.arb.ca.gov/board/books/010628/01-5-1.pdf [10] AC Propulsion’s Reductive Charger, http://www.acpropulsion.com/icat01-2_v2gplugin.pdf [12] REMA EV Connectors, http://www.rema-ev.com/products.html [11] ChargePoint Networked Charging Stations, CT2000 and CT2100 families,

http://www.coulombtech.com/pdfs/CT2000-CT2100-DS-Mar-lowres.pdf [13] W. Kempton, J. Tomic, Vehicle-to-Grid Power: Battery, Hybrid, and Fuel Cell

Vehicles as Resources for Distributed Electric Power in California, Institute of Transportation Studies, UC Davies, 2001,

http://www.udel.edu/V2G/docs/V2G-Cal-2001.pdf [14] M. Delucchi, T. Lipman, A. Berke, M. Miller, electric and gasoline vehicle lifecycle

cost and energy-use model, Institute of Transportation Studies, UC Davies, 2000 http://escholarship.org/uc/item/1np1h2zp

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%20DE-WorkGroup-V2G-08.pdf [16] The EDISON Project, Electric Vehicles in a Distributed and Integrated market using

Sustainable energy and Open Networks, http://www.dtu.dk/centre/cet/English/research/projects/22_The_EDISON_project.asp

x

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[17] Toyota Prius, http://www.toyotaprius.cl/ [18] Honda, Modelos, Civic Hybrid, http://www.honda.cl/autos/honda-civic-hybrid.html [19] Autoblog, “Toyota lanza el Toyota Prius III, aunque sólo en Santiago”, 01/11/2009,

es.autoblog.com/2009/11/01/chile-toyota-lanza-el-prius-iii-aunque-solo-en-santiago [20] Biblioteca del Congreso Nacional de Chile, Historia de la Ley 20.259, 25/03/2008,

http://www.diariooficial.cl/actualidad/HDL/HL20259.pdf [21] Federal Tax Incentives (United States), 25/02/2010, http://www.hybridcars.com/federal-incentives.html [22] S. Letendre, W.Kempton, The V2G Concept: A New Model For Power?, 2002,

http://www.udel.edu/V2G/docs/V2G-PUF-LetendKemp2002.pdf [23] W. Kempton, S. Letendre, Electric vehicles as a new power source for electric

utilities, 1997, http://www.udel.edu/V2G/docs/Kempton-Letendre-97.pdf [24] W. Kempton, T. Kubo, Electric-drive vehicles for peak power in Japan, 2000,

http://www.udel.edu/V2G/docs/Kempton-Kubo-2000.pdf [25] U.S. DOE - Energy Information Administration, Electric Sales and Revenue, 2004,

http://www.coaleducation.org/ky_coal_facts/electricity/average_cost.htm [26] PG&E, Programa de Aire Limpio, http://www.pge.com/about/environment/pge/cleanair/ [27] PG&E teams with Google to demonstrate vehicle-to-grid technology at the company's mountain view campus, 2007, www.pge.com/about/news/mediarelations/newsreleases/q2_2007/070619.shtml [28] Regulación Eólica con Vehículos Eléctricos, 2009, http://www.evwind.es/noticias.php?id_not=101 [29] EDISON Project, http://www.edison-net.dk/