El transporte es la mayor fuente individual de emisiones de gases de efecto invernadero en los Estados Unidos y representa alrededor de un tercio de todas las emisiones. Podríamos reducir rápidamente esas emisiones mediante la electrificación de los vehículos, pero solo hay un problema:actualmente no generamos suficiente energía.

"Si todo el transporte se vuelve eléctrico, estamos duplicando la demanda", dijo Matthias Preindl, un experto en vehículos eléctricos de Columbia Engineering. "Y la red no está construida para soportar eso".

A pesar de algunas inversiones y expansiones desde la década de 1950, la red de EE. UU. tiene una flota de generadores en su mayoría envejecida y cargas de transmisión máximas debido a líneas congestionadas. Para empeorar las cosas, los fenómenos meteorológicos extremos, como las olas de calor y los incendios forestales, han derretido repetidamente los cables de alimentación.

EE. UU. tendría que invertir $ 125 mil millones para 2030 solo para mantenerse al día con la creciente demanda de energía de los vehículos eléctricos, según un estudio de 2020. Pero, ¿y si los propios vehículos eléctricos pudieran ser parte de la solución, agregando energía a la red? Columbia News habló con Preindl, profesor de ingeniería eléctrica, y Daniel Bienstock, profesor de física aplicada y matemáticas aplicadas, así como de ingeniería industrial e investigación de operaciones.

Tecnología del vehículo a la red (V2G)

Para 2030, unos 145 millones de automóviles, autobuses, camiones y furgonetas eléctricos estarán en circulación. Algo así como. En promedio, los conductores estacionan sus vehículos el 95% del tiempo. Con cerca de $ 5 mil millones en fondos federales asignados recientemente para construir una red nacional de estaciones de carga de vehículos eléctricos a lo largo de las carreteras interestatales, todos esos vehículos eléctricos inactivos podrían ponerse a trabajar a través de la tecnología de vehículo a red (V2G), una idea que, según los expertos, podría transformar el red eléctrica ya abrumada.

La tecnología V2G implica el uso de cargadores bidireccionales para transportar la energía no utilizada de las baterías de un EV a la red inteligente. A medida que se carga un EV, la electricidad de CA (corriente alterna) de la red se convierte en CC (corriente continua) de las baterías, que luego se utiliza para hacer funcionar el vehículo. Un cargador bidireccional puede convertir CC en CA y transferirlo a la red desde las celdas de iones de litio del EV. También puede controlar simultáneamente cuánta energía entra o sale de la batería.

"Potencialmente, los vehículos eléctricos podrían convertirse en la instalación de almacenamiento de energía distribuida más grande implementada", dijo Preindl. "Juntas, podrían suministrar más energía eléctrica que todas las plantas de energía convencionales combinadas".

La electricidad adicional que la tecnología V2G devuelve a la red podría alimentar hogares y empresas en estados como California, que dependen en gran medida de las energías renovables para acceder a la electricidad las 24 horas del día, los 7 días de la semana. A menudo, los esfuerzos de energía verde se han centrado principalmente en el uso de grandes parques eólicos o solares ubicados en áreas remotas. Estas granjas requieren líneas de transmisión nuevas y costosas para proporcionar electricidad a áreas con alta demanda de energía.

Y la energía eólica y solar pueden experimentar una gran variabilidad en tiempo real, dijo Bienstock, quien también es experto en dinámica de redes eléctricas en Columbia Engineering.

“Hoy, sin una gran penetración renovable, la variabilidad se aborda en tiempo real utilizando generación convencional”, dijo. "Los grandes cambios en tiempo real en los flujos de energía pueden ser un desafío y requieren una configuración adecuada de generación rápida y recursos de transmisión adecuados". Actualizar los equipos hasta ese punto no es poca cosa, lo que significa que la variabilidad debida a las energías renovables seguirá siendo una preocupación. "V2G, junto con una generación distribuida más completa, es una de las soluciones más viables en el futuro", dijo Bienstock.

Coches que tienen V2G

Hasta el momento, solo cuatro autos eléctricos disponibles comercialmente son compatibles con V2G:Nissan e-NV200, Nissan LEAF, Mitsubishi Outlander PHEV y Mitsubishi Eclipse Cross PHEV. Este año, Volkswagen, Ford y General Motors también están lanzando gradualmente vehículos eléctricos compatibles con carga bidireccional. Los expertos de la industria proyectan que el mercado V2G crecerá un 48 % para 2027.

Pero construir energía bidireccional en el sistema es más que un juego de números; Los obstáculos técnicos también se interponen en el camino de la adopción generalizada de V2G. Por ejemplo, el uso rutinario de V2G para recargar y descargar las baterías de iones de litio de los vehículos eléctricos puede reducir su vida útil.

¿V2G reduce la duración de la batería?

"Desde la perspectiva de la red, es más útil cuando muchos vehículos eléctricos están conectados durante períodos prolongados y cuando usan potencias de carga de bajas a medias", dijo Preindl. "Eso también es mejor para el EV. Desde un punto de vista técnico, hay muchas cosas que V2G puede hacer para minimizar la degradación de la batería".

Aparte del riesgo de que las baterías de iones de litio se dañen, los diseños convencionales de cargadores bidireccionales o V2G también son caros. Hay dos tipos de cargadores V2G:a bordo y fuera de borda. La mayoría de los automóviles utilizan cargadores integrados unidireccionales. Los pocos cargadores V2G que llegaron al mercado solo se han puesto en línea en los últimos meses; estos primeros diseños suelen estar fuera de borda, montados en una pared y también carecen de estandarización, mientras que la industria se pone al día con la tecnología.

Pero los investigadores están mejorando en el diseño de cargadores integrados V2G rentables. El laboratorio de Preindl está desarrollando sistemas que pueden lograr una eficiencia del 99 % por tan solo un centavo por kilovatio. "Eso es de dos a cinco veces más barato, con pérdidas de energía de dos a cinco veces menores que los diseños actuales", dijo.

La posibilidad de V2G

Si bien las compañías automotrices intentan escalar la tecnología V2G, todavía queda un largo camino por recorrer antes de que pueda ayudar a descarbonizar la red. El mes pasado, alrededor de 15 empresas de servicios públicos en 14 estados anunciaron que lanzarán programas piloto V2G de autobuses escolares eléctricos, según el Instituto de Recursos Mundiales.

Pero a pesar de las pequeñas iniciativas de las empresas de servicios públicos en 2021 que demostraron cuán efectiva es la tecnología V2G para reducir las emisiones, los expertos en políticas dicen que se requieren más inversiones para que la tecnología sea accesible.

"Las empresas de servicios públicos no solo necesitan actualizar la red eléctrica en términos de nuevas líneas de transmisión y transformadores físicos, sino también invertir en tecnología de red inteligente para evaluar en qué momentos se debe descargar o absorber la electricidad", dijo Steven Cohen, experto en ciencias ambientales. y política en la Escuela de Asuntos Internacionales y Públicos de Columbia. "El obstáculo político al que se enfrenta la tecnología V2G es básicamente la falta de dinero".

"El requisito clave sería un esquema de financiamiento en el que el gobierno federal pudiera financiar el desembolso inicial", continuó. "Luego, los contribuyentes locales pagan por la operación y el mantenimiento una vez que la tecnología esté instalada. Mi predicción:el estado de Nueva York y California serán los primeros en invertir".