Construindo a infraestrutura de carregamento de Veículos Elétricos (ART4661)

Em todo o mundo, começou a corrida para substituir nossos veículos movidos a combustível fóssil por elétricos. A taxa de adoção de veículos elétricos (EVs) deve subir de forma extremamente rápida. Esta rápida adoção prevista de EVs exigirá uma mudança significativa no número de estações de carregamento disponíveis em comparação com os números implantados hoje. Neste artigo, investigamos como o aumento na adoção de VE colocará demandas na infraestrutura de distribuição de energia e algumas das considerações que devem ser levadas em consideração ao planejar a infraestrutura de carregamento de VE.

Por Robert Huntley para a Mouser Electronics

Publicado em 20 de fevereiro de 2020 e traduzido em 10 de agosto de 2021 para o português com permissão da Mouser Electronics

 

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Projeções de crescimento EV (VE)

Artigos sobre EVs geralmente começam com estatísticas impressionantes sobre as taxas de crescimento, e é tentador falar sobre as vendas projetadas de EVs. Um número da organização Energy Innovation prevê que o estoque global de veículos elétricos de passageiros será de cerca de 250 milhões até 2030 (Figura 1), com vendas de cerca de 44 milhões por ano nessa época. Isso ocorre no cenário EV30 @ 30, onde 30% de todos os EVs (exceto veículos de duas rodas) têm 30% de participação no mercado global em 2030. O número inclui carros, ônibus e caminhões em versões híbridas e totalmente elétricas. Portanto, não resistir à tentação - mas deve haver uma verificação da realidade: quais são as taxas de erro nesta trajetória de crescimento e quais são as suposições e os riscos identificados? Aprofunde-se e alguns dos dados sobre o crescimento de diferentes fontes mostram grandes variações. Os números de vendas citados incorporam suposições sobre mudanças na acessibilidade do VE, melhorias futuras na tecnologia, preços do petróleo, incentivos regulatórios e "dezenas" mais. Também é altamente dependente da absorção na China, que era 45 por cento do mercado em 2018, em comparação com 24 por cento na Europa e 22 por cento nos Estados Unidos. Outro número do Energy Information Administration (EIA) dos EUA, Annual Energy Outlook 2020, mostra vendas totais de veículos com bateria de muito menos de um milhão de veículos no ano de 2030 nos EUA - menos de um décimo da previsão da IEA se a divisão de porcentagem geográfica permanecer mesmo. Ele prevê que os veículos movidos a gasolina ainda dominarão as vendas até 2050 e além. Então, faça sua escolha.

 

Figura 1: Estoque global projetado de todos os veículos elétricos de 2018 a 2030. (Fonte: EIA)
Figura 1: Estoque global projetado de todos os veículos elétricos de 2018 a 2030. (Fonte: EIA) | Clique na imagem para ampliar |

 

 

Influenciadores de adoção de EV

EVs são atualmente relativamente caros, então as previsões otimistas assumem que os preços irão diminuir com o volume e melhorias de tecnologia, mas o volume só aumentará se os preços caírem. Frangos e ovos vêm à mente. Alguns fabricantes admitem perder dinheiro a cada carro vendido, no esforço de estimular o mercado, mas esse não é um grande modelo de negócio e testa a paciência dos investidores. A pressão do governo é outro fator; com metas de mudança climática para atingir e níveis de poluição para controlar, as administrações em todo o mundo anunciaram metas para proibir o motor de combustão interna (ICE) até certas datas. O título impressiona, mas muitas vezes eles realmente significam proibir veículos somente ICE, deixando os híbridos na mistura indefinidamente. Os fabricantes de automóveis brincam com as palavras da mesma maneira, tentando desesperadamente não "encalhar" seus ativos de manufatura de ICE com promessas de linhas 100% elétricas em seu alcance em uma data futura, quando na verdade significam 100% totalmente elétricos ou híbridos.

Outra coisa que pode afetar os preços do EV são os preços do petróleo. Os preços do petróleo afetam a absorção futura de EV com sua própria dinâmica de preços. Embora os preços tenham ficado relativamente estáveis ??recentemente, a geopolítica tem efeitos dramáticos, assim como qualquer subsídio governamental. Se o preço por barril de petróleo cair novamente para menos de US$ 20 (ajustado pela inflação), como aconteceu em 1998, em comparação com o valor atual de cerca de US $ 54, os consumidores podem pensar novamente sobre os custos de funcionamento do VE. Atualmente, um EV alcança cerca de 70 quilômetros para cada dólar de eletricidade, cerca de um quarto do custo de um carro movido a gás ou SUV.

Os argumentos para mitigar as mudanças climáticas e melhorar o meio ambiente podem desaparecer se a compra de EV e os custos de operação não fornecerem um incentivo para trocar os ICEs, mesmo com a Organização Mundial da Saúde relatando 4,2 milhões de mortes prematuras em todo o mundo, ligadas à poluição do ar.

 

Ansiedade de alcance

Uma barreira para a captação de EV é a preocupação com o carregamento. Os veículos elétricos originais tinham um alcance de apenas 160 quilômetros ou mais, tornando-os um produto de nicho para um tipo específico de motorista que fazia apenas viagens curtas, retornando à base com frequência para uma "recarga". As coisas melhoraram, com um alcance em torno de 480 quilômetros agora para os melhores modelos, mas a ansiedade ainda permanece, com a concepção de que os pontos de recarga são escassos. É certamente um fato que um EV "encalhado" sem energia não pode simplesmente ser revivido com uma bateria sobressalente de um Bom Samaritano que passe.

Em comparação com os postos de gasolina, os "postos" de recarga podem parecer poucos e distantes entre si, mas isso é apenas oferta e demanda; nos EUA, existem cerca de 270 milhões de carros e 150.000 postos de gasolina - com, digamos, oito bombas, dando cerca de 225 automóveis por bomba. Compare isso com o número global de cerca de cinco milhões de EVs e cerca de 410.000 pontos de carregamento públicos, dando 12 EVs para cada estação de carregamento - disponibilidade 18 vezes melhor! Se você levar em consideração os pontos de carregamento em casa e no escritório, terá quase paridade - um ponto de carregamento para cada EV.

Claramente, a comparação não pode ser direta; um tanque de gasolina pode ser reabastecido em cerca de dez minutos, talvez quinze com uma pausa confortável e uma lata de refrigerante na loja de conveniência. No entanto, recarregar uma bateria pode levar horas de um carregador "lento" em uma parada de serviço rodoviário, então, se todos os pontos de carregamento estiverem em uso e a próxima estação estiver longe, esse número de disponibilidade não é muito confortável.

Com todos querendo acreditar no futuro dos VEs, podemos esperar que a infraestrutura seja construída para corresponder a um dos cenários de absorção previstos, esperançosamente o certo. Haverá under ou over-shoot, no entanto, com a incerteza sobre a demanda e com variáveis ??locais a serem levadas em consideração. Você pode ter certeza de que a Noruega, onde cerca de 60 por cento das vendas de carros novos são VEs, terá mais pontos de carregamento instalados nos próximos anos do que o Reino Unido, por exemplo, onde o número foi de 1,6 por cento para novos registros de VEs em 2019.

 

Abastecimento de ansiedade

Embora o alcance seja algo para se preocupar, o fornecimento de eletricidade no futuro também deveria estar lá em cima? No momento, a carga na grade de carregamento de EV dificilmente é registrada e, em 2050, de acordo com a Bloomberg ENF, ainda representará apenas 9 por cento da demanda global, que cresceu 57 por cento em relação aos números de 2018. Nos EUA, a energia de carregamento de EV até 2050 deve atingir 800 a 900 terawatts-hora em um consumo total de cerca de 30.000 terawatts-hora (Figura 2).

 

 

Figura 2: Demanda anual de eletricidade por LDVs elétricos nos EUA no cenário BAU, e em um cenário com quedas graduais de custo atingindo 40 por cento do valor BAU em 2050. (Fonte: Inovação de Energia)
Figura 2: Demanda anual de eletricidade por LDVs elétricos nos EUA no cenário BAU, e em um cenário com quedas graduais de custo atingindo 40 por cento do valor BAU em 2050. (Fonte: Inovação de Energia) | Clique na imagem para ampliar |

 

 

Fazemos suposições sobre melhorias de tecnologia. Por exemplo, os EVs são atualmente apenas cerca de 59 a 62 porcento eficientes na transferência da energia da bateria para a energia nas rodas, portanto, há algumas melhorias esperadas. (Compare isso com os ICEs, com apenas 17 a 21 por cento de eficiência de conversão da energia química do gás em força motriz.) Os números citados até agora para vendas de EV e consumo de energia referem-se apenas a veículos leves (LDVs). Se os caminhões elétricos se tornarem realidade, os números podem ser muito conservadores. As escalas de tempo associadas com a construção de estações de recarga necessárias e a atualização da infraestrutura do serviço público se estendem muito além dos termos da administração governamental e políticas imediatas, mas os fornecedores de serviços públicos estão acreditando na inevitabilidade de longo prazo dos VEs e planejando ter fornecimento de energia base suficiente. Com a expansão da infraestrutura para um mercado geral em crescimento de qualquer maneira, os 9 por cento de participação para carregamento de EV não são vistos como problemáticos no nível de geração. Na distribuição, porém, conforme você se aproxima do cabo de carregamento no carro, a situação é diferente (Figura 3).

 

Figura 3: A distribuição de alta tensão terá capacidade para carregamento de EV. (Fonte: Bukhta Yurii / shutterstock.com)
Figura 3: A distribuição de alta tensão terá capacidade para carregamento de EV. (Fonte: Bukhta Yurii / shutterstock.com) | Clique na imagem para ampliar |

 

 

Hardware de distribuição para futuras necessidades de carregamento de EV

Historicamente, a demanda de eletricidade é baixa durante a noite, com pico de carga talvez às 7h, conforme as pessoas começam suas atividades diárias. O pico ocorre novamente no início da noite, quando as pessoas voltam para suas casas e o aquecimento/resfriamento é mais intenso. Ao adicionar o carregamento de EV doméstico à mistura, o padrão muda drasticamente, com a carga agora chegando ao pico durante a noite, então o carro está pronto para o trajeto matinal. Os carregadores domésticos padrão podem ter 3 ou 7 kW, levando de 6 a 12 horas para carregar um EV completo ou de 2 a 4 horas para um veículo elétrico híbrido de plug-in (PHEV). Isso é "apenas" como ligar um ou dois aquecedores de alta potência durante toda a noite, mas os carregadores "rápidos" podem ter uma potência nominal de até cerca de 22 kW. Isso agora se aproxima do limite do fornecimento doméstico de entrada e geralmente é um nível de pico mais alto do que sem um VE e certamente um nível médio muito mais alto ao longo de 24 horas. Este é um estresse extra imediato na rede de distribuição local à medida que mais residências adquirem EVs, com os transformadores em postes que baixam as tensões médias para níveis domésticos zumbindo alto em protesto. A rede de distribuição de alta tensão e as usinas têm capacidade para lidar melhor, já que também são classificadas para abastecer a indústria, que tem seu pico em um momento diferente. A infraestrutura de fornecimento local pode, portanto, ser o primeiro gargalo, com variações locais significativas - apartamentos na cidade, por exemplo, podem ter vagas de estacionamento, mas o fornecimento de eletricidade EV não virá diretamente do fornecimento do consumidor final, seria medido, mas agregado em um nível de utilidade mais alto, onde a carga é "nivelada" em todo o mercado doméstico e industrial, e dentro das classificações de hardware. O mesmo é verdadeiro para pontos de carregamento rápido na beira da estrada e públicos, onde a carga está mais diretamente na rede de alta tensão.

 

Vencer/Vencer com Renováveis

Uma objeção de longa data aos EVs é que eles não são tão "verdes" como parecem se a energia elétrica para carregar, em última análise, vier de carvão sujo ou geradores a gás. A situação está mudando com o aumento do uso de energias renováveis, mas com o lado negativo do fornecimento não confiável sem sol para energia solar à noite e vento imprevisível para turbinas. O ideal seria algum meio de armazenamento de energia para nivelar a capacidade de fornecimento, mas não existem soluções perfeitas - o armazenamento hidrelétrico em lagos só se adequa a alguma topografia, por exemplo. Embora existam algumas ideias promissoras, como armazenamento de gás comprimido em rocha, uma possibilidade é usar as baterias combinadas de VEs para "emprestar" energia de volta à rede como um buffer em troca de um desconto em sua conta (Figura 4).

 

Figura 4: A energia solar pode ser armazenada em baterias EV. (Fonte: Thinnapob Proongsak / shutterstock.com)
Figura 4: A energia solar pode ser armazenada em baterias EV. (Fonte: Thinnapob Proongsak / shutterstock.com) | Clique na imagem para ampliar |

 

 

Devolver energia à rede requer carregadores bidirecionais, mas a tecnologia existe. Se você sabe que seu carro ficará sem uso, a concessionária pode estar drenando e recarregando a bateria para seu benefício, sem afetá-lo, contanto que o carregador inteligente esteja programado para saber quando você precisa do carro totalmente carregado e pronto para ir.

 

Conclusão

Conforme aumenta a adoção de EV, esperamos que a infraestrutura acompanhe os cenários de crescimento previstos. No entanto, planejar a infraestrutura de carregamento de VE é uma tarefa complicada porque muitas variações locais e do consumidor devem ser levadas em consideração. Alguns dos fatores que influenciarão a adoção de VE incluem as despesas de compra de um VE, regulamentos governamentais que incentivam o uso de VEs, fontes de eletricidade, papel da energia renovável e preocupações com o acesso e disponibilidade de estações de carregamento rápido. Como todos esses fatores podem influenciar muito e adicionar incerteza à taxa de adoção de VE, resta saber se a infraestrutura de carregamento esperada suportará a demanda.

 

 

Robert Huntley é um engenheiro e redator técnico qualificado. Com base em sua experiência em telecomunicações, sistemas de navegação e engenharia de aplicativos incorporados, ele escreve uma variedade de artigos técnicos e práticos em nome da Mouser Electronics.

 

 


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