Para lograr los objetivos de cero emisiones netas y acelerar la transición energética global, la Agencia Internacional de Energía (AIE) afirmó que los países deben triplicar la capacidad de energía renovable de 2022 para 2030, y el desarrollo de la energía solar fotovoltaica (PV) desempeña un papel crucial. Además, la electrificación integral de los vehículos con motor de combustión es una medida indispensable para reducir las emisiones de carbono.
Según el último informe “Global EV Outlook 2024” publicado por la AIE, se proyecta que la proporción de ventas de vehículos eléctricos (EV) aumentará del 15% en 2023 al 40% en 2030, y superará el 50% en 2035. En la transición a la nueva era de los vehículos eléctricos, las estaciones de carga no solo sirven como infraestructura clave, sino que también se consideran el último tramo en la adopción generalizada de los vehículos eléctricos. Presentando un estudio de caso sobre la aplicación de un sistema de carga y almacenamiento fotovoltaico en el Parque Científico del Sur de Taiwán ubicado en Kaohsiung, Taiwán, el artículo ilustra cómo integrar energía solar fotovoltaica, sistemas de almacenamiento de energía y estaciones de carga de vehículos eléctricos en un solo sistema, que luego se conectado con la red eléctrica de la ciudad.
1. Concept drawing for photovoltaic charging and storage system. Courtesy: ECOVE Environment Corp., a CTCI Company
Este sistema optimiza la eficiencia del consumo de energía desde la generación de energía, los sistemas de almacenamiento de energía, la gestión de la distribución, hasta el uso de energía con energías renovables, asignando de manera flexible los recursos energéticos con tecnologías inteligentes para evitar impactos adversos en la red eléctrica.
Concepto de sistema de almacenamiento fotovoltaico
El sistema de almacenamiento fotovoltaico es la fusión de software y hardware, que integra la energía solar, el almacenamiento de energía, las estaciones de carga de vehículos eléctricos y la gestión de energía en un sistema unificado. Este sistema combina eficazmente varias tecnologías energéticas para ofrecer soluciones integrales, con el objetivo de mejorar el uso eficiente de la energía y promover la adopción generalizada de vehículos eléctricos.
La ejecución de este proyecto implicó utilizar el espacio de un estacionamiento en un distrito comercial para instalar instalaciones de generación de energía solar, y la energía solar generada se utiliza para cargar vehículos eléctricos y se almacena en el equipo de almacenamiento de energía (Figura 1). A través del sistema de gestión de energía, el equipo de almacenamiento de energía resulta útil durante las horas pico de electricidad para lograr el efecto de reducción de picos, garantizando el uso adecuado de cada recurso, aliviando la carga de las redes eléctricas y optimizando los servicios de carga. Esta solución no solo mejora el uso de energía renovable, sino que respalda las necesidades de carga de vehículos eléctricos, brindando así resultados concretos para la transición energética y la reducción de carbono.
Planificación y arquitectura del sistema de carga y almacenamiento fotovoltaico en el Parque Científico del Sur de Taiwán
El plan concreto del sistema de carga y almacenamiento fotovoltaico en este caso es el siguiente. En primer lugar, estaba previsto instalar 87 paneles solares con una potencia total de 29,58 kW. Luego, se incorporó una batería de almacenamiento de energía de 146 kWh, acoplada a un inversor híbrido de 50 kW. Además de suministrar energía para iluminación, aire acondicionado y un sistema de monitoreo en la sala de carga que consume aproximadamente 5 kW, la electricidad generada por el sistema solar fotovoltaico se almacenó para el consumo de energía en una estación de intercambio de scooters eléctricos y en una estación de carga de vehículos eléctricos.
2. Planning and architecture diagram for photovoltaic charging and storage system. Courtesy: ECOVE Environment Corp., a CTCI Company
Para mejorar la calidad de los servicios de carga y mitigar el riesgo de una generación insuficiente de energía solar debido a condiciones climáticas desfavorables consecutivas, que pueden dejar a los clientes con energía inadecuada para cargar, el sistema fue diseñado para estar interconectado con la red eléctrica de la ciudad. A través de un sistema de gestión de energía (EMS), se llevó a cabo una gestión óptima del equilibrio de energía, asegurando un suministro de energía estable y mejorando efectivamente la eficiencia y confiabilidad de todo el sistema.
Descripción general de las operaciones del sistema de almacenamiento y carga fotovoltaica
El paso inicial en la planificación del sistema de carga y almacenamiento fotovoltaico fue evaluar la capacidad de instalación solar fotovoltaica y estimar la capacidad de generación de electricidad. En este caso, el objetivo principal era construir marquesinas solares fotovoltaicas en aparcamientos al aire libre cerca de la calle comercial.
Para maximizar la generación de energía, la consideración principal fue la orientación de la instalación. Como Taiwán está ubicado en el hemisferio norte y el sitio de instalación está cerca del Trópico de Cáncer, la mayor parte de la luz solar se inclinará desde el sur hacia los paneles solares después de que el sol salga por el este. Por lo tanto, la instalación de paneles solares estuvo orientada al sur para maximizar los beneficios de la exposición solar.
Después de seleccionar las especificaciones de los paneles solares, se realizó el diseño de distribución para determinar la cantidad total de paneles solares y la capacidad de instalación en función del área de instalación disponible. A continuación, se introdujeron parámetros como la orientación de instalación y el ángulo de inclinación fijo de los paneles solares en el software de diseño y simulación de sistemas fotovoltaicos (PVSystem) para simular la generación de energía.
A partir del plano solar fotovoltaico para este caso se dispusieron 87 paneles solares, consiguiendo una potencia instalada total de 29,58 kW con un ángulo de orientación fijado en 0 grados (sur verdadero) y un ángulo de teja de 8 grados. Una vez que estos parámetros se ingresaron en el software, se pudo simular la capacidad de generación de electricidad estimada mensual del sistema (Figura 3).
- Capacidad de generación de energía mensual estimada a partir del software de simulación de generación de energía PVsyst. Cortesía: ECOVE Environment Corp., una empresa del CTCI
- Capacidad de generación de energía mensual estimada a partir del software de simulación de generación de energía PVsyst. Cortesía: ECOVE Environment Corp., una empresa del CTCI
El siguiente paso en la planificación del sistema de carga y almacenamiento fotovoltaico fue evaluar la capacidad de la batería necesaria para la configuración del sistema. Además de hacer referencia a la capacidad de generación solar fotovoltaica, la capacidad de configuración de la batería también debía tener en cuenta la tasa de degradación de la batería y el estado de salud de la batería usada. Como la vida útil predeterminada del sistema de almacenamiento de energía en este proyecto era de 10 años, finalmente se adoptó una configuración de batería de 146 kWh después de una simulación y un cálculo detallados que tuvieron en cuenta factores como la estimación de la degradación de la batería por parte del fabricante original, asegurando que la batería El estado de salud se mantuvo por encima del 80% para mantener una eficiencia óptima de carga y descarga.
El tercer y último paso en la planificación del sistema de carga y almacenamiento fotovoltaico implicó no sólo el diseño y selección de componentes como la capacidad de generación solar fotovoltaica, la configuración de almacenamiento de energía en baterías y las especificaciones de las pilas de carga, sino que también se centró de manera crucial en cómo gestionarlo. la electricidad generada con energía solar, la carga y descarga de vehículos eléctricos, así como la iluminación y la climatización de la sala de carga (consumo de energía auxiliar) de forma programable e inteligente. Esto sirvió como clave para lograr una eficiencia operativa óptima a través de la integración efectiva de todas las partes, lo que condujo a una utilización y gestión de la energía de alto rendimiento.
Lo siguiente es explicar el funcionamiento real de este proyecto. A partir del diagrama esquemático del estado en tiempo real del sistema de carga y almacenamiento fotovoltaico (Figura 4), se ilustra claramente la generación en tiempo real de energía solar, el estado de carga, la capacidad del módulo de batería, la energía de la red pública y otros estados durante el funcionamiento del sistema. El EMS se configuró inicialmente para priorizar el suministro de la electricidad generada durante el día a la iluminación y climatización (consumo de energía auxiliar) de la sala de carga, estaciones de carga para vehículos eléctricos y estaciones de intercambio de baterías para patinetes eléctricos, mientras que el exceso de electricidad debía ser almacenado en el sistema de almacenamiento de energía de la batería. En caso de falta de luz solar y cuando la capacidad de almacenamiento de energía de los módulos de batería sea inferior al 50%, el suministro de energía se mantendrá mediante la red pública y se activará simultáneamente la carga fuera de las horas pico.
- Diagrama esquemático del estado en tiempo real de la gestión del sistema de carga y almacenamiento fotovoltaico. Cortesía: ECOVE Environment Corp., una empresa del CTCI
- Diagrama esquemático del estado en tiempo real de la gestión del sistema de carga y almacenamiento fotovoltaico. Cortesía: ECOVE Environment Corp., una empresa del CTCI
A través de este sistema, el personal de administración puede obtener big data del servidor backend, simulando y analizando las condiciones climáticas, el uso de la estación de intercambio de baterías y el estado de carga del vehículo eléctrico, y optimizando el tiempo de carga y descarga del sistema de almacenamiento de energía de la batería en función de las condiciones operativas reales. . De esta manera, el sistema puede operar eficientemente bajo diferentes condiciones, logrando una óptima utilización y gestión de la energía.
