Mobilidade Eléctrica Aveiro, 4 de Outubro de 2010 António Vidigal
A Mobilidade Eléctrica é uma realidade Ex.: A Nissan está a lançar o Leaf em Portugal Os carregadores rápidos são MobiE (EFACEC)
Mas seria possível ir de VE até Barcelona?
Talvez A 25 de Outubro um veículo eléctrico percorreu 600 Km a 89 Km/h e recarrega as baterias em 6 minutos A tecnologia é a KOLIBRI Alpha Polymer O condutor do A2 foi Mirko Nannemann, de 27 anos de idade. que é o inventor da bateria e CEO da DBM DBM Energy é uma joint venture entre a utility Lekker Energy e o Ministério da Economia Alemão
uma parte do segredo são as baterias É uma área bastante diversificada com vários tipos diferentes de baterias utilizadas para transporte eléctrico O ritmo de evolução está a aumentar com empresas pequenas e grandes a investir fortemente em I&D Ácido-Chumbo Niquél Cádmio Hidretos metálicos e Niquél Cloreto de Sódio e Niquél Iões Lítio Iões Lítio Polímero Iões Lítio Fosfato de Ferro e Manganese Spinel
Características essenciais das Baterias Principais características das baterias são: Densidade energética que consegue armazenar para cada kg transportado. Valor corrente é de 150 Wh/kg. (30 kwh = 200 Kg) Potência (W/kg) Capacidade de receber e debitar energia. Valor corrente é de 1.5 kw/kg Tempo de Vida em anos e ciclos de carga e descarga completa. 1000-1500c valor corrente Estabilidade e Segurança da célula quando submetida a danos mecânicos e correntes elevadas Intervalo de temperatura a que consegue funcionar sem se desgastar Custo e facilidade de produção que depende do custos dos elementos mas também da tecnologia de fabrico. Valor corrente de 750 /kwh. (30kWh = 22.500 ) Facilidade de Reciclagem que depende do tipo de materiais utilizados e da construção
Como vemos o problema Equação de Kaya
A Equação de Kaya e a Mobilidade Eléctrica
Paradigma existente do transporte O paradigma existente do transporte assenta na distribuição de energia primária em combustível líquido até ao veículo, onde é feita a conversão num pequeno motor, muito pouco eficiente. Este paradigma tem elevadíssimas emissões de CO2 e Nox junto das áreas populacionais, onde são mais prejudiciais Consome L/100km e emite gco2/km Motorização ICE Abastecimento Distribuição final Distribuição Extracção e Refinação Os hidrocarbonetos são exclusivamente importados o que provoca uma grande dependência energética A cadeia de distribuição final dos combustíveis assenta grandemente no transporte rodoviário o que fragiliza ainda mais a segurança do abastecimento Deepwater Horizon versus Exxon Valdez
Paradigma de um novo Carrier energético Na transição dos hidrocarbonetos para um novo Carrier energético para o sector do transporte automóvel é necessário garantir que esse novo Carrier garanta três componentes: 1. Maximiza a diversidade de fontes primárias de energia, incluindo renováveis 2. É intrinsecamente eficiente 3. Garante o transporte automóvel com zero emissões dos veículo Eficiência Global Battery Electric Vehicle (BEV) - 69% Só duas opções são possíveis: a Electricidade e o Hidrogénio 89% Drivetrain 94% Baterias 89% Carregamento de Baterias 92% Transmissão e Distribuição Geração de electricidade Eficiência Global Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV) - 24% 89% Drivetrain 54% Fuel Cell 95% Transporte e distribuição 76% Compressão ou congelamento 70% Electrólise da água Fonte: Agência Internacional de Energia
O veículo eléctrico como solução de transporte O veículo eléctrico existe há mais de 100 anos e teve várias alturas no passado em que pareceu que ia finalmente ser adotado, mas tal não aconteceu. O que é diferente agora? O preço do petróleo E a evolução das baterias Desvantagens Autonomia inferior; Tempo de carregamento; Custo das baterias; Infra-estrutura adequada e com cobertura abrangente. Fotografia tirada em 1913 Veículo eléctrico em carga
Motor a Combustão Vs Veículo eléctrico A grande diferença dos veículos com motor a combustão é a energia química disponível nos combustíveis que é muito superior à armazenável nas baterias. No entanto, a fraca eficiência do ICE aproxima a comparação O ICE tem um custo de aquisição relativamente baixo mas elevados custos de O&M Consumo Motor Diesel 5 l/100km ou 53 kwh/100km Gasolina 6 l/100km ou 58 kwh/100km ICE Depósito de Combustível 60l Diesel armazena 640 kwh (1200km) Gasolina armazena 580 kwh (1000km) Emissões Maioria dos veículos tem emissões superiores a 150 gco2/km Emissões de Nox e partículas são bastante elevadas e junto aos centros urbanos Consumo económico Diesel 5 /100km (1,00 /l) Gasolina 8,1 /100km (1,35 /l) Energia utilizada para motorização: Diesel -160kWh (25% eficiência) Gasolina -116kWh (20% eficiência)
Veículo eléctrico a baterias: BEV O veículo eléctrico tem a motorização mais eficiente, ~89% da energia armazenada é usada, mas existe ainda a contribuição da travagem regenerativa. Este facto obriga a que menos energia seja armazenada nas baterias O BEV tem um custo de aquisição alto mas diminutos custos de O&M Consumo Motor Eléctrico citadino 15 kwh/100km Eléctrico Sedan 20 kwh/100km BEV Autonomias 160km correspondem a 30 kwh 250km correspondem a 47kWh Emissões Se usada energia renovável emissões são praticamente zero Mesmo usando energia indiscriminada da rede o total das emissões será inferior a 80gCO2/km Consumo económico Eléctrico citadino 1,7 /100km Eléctrico Sedan 2,2 /100km Comparação com autonomia de ICE Para armazenar o mesmo que um ICE o BEV teria de ter uma bateria com 1.500 kg de peso ou baterias com 4x a densidade presente
A electrificação do transporte é vantajosa a curto e longo prazo A visão é unânime por toda a Europa com o mix de produção de electricidade existente e futuro, o paradigma da mobilidade eléctrica é sustentável do ponto de vista das emissões de gases de efeito de estufa Emissões directas e indirectas de um carro médio na Europa 180 160 140 120 100 gco 2 /km 80 60 40 20 0 Média de Frota de Passageiros Europeia Average Passenger Car EU Fleet CO2 fleet target 2012 Corresponding EV EU Fleet CO2 fleet target 2015 Carro eléctrico médio 2005 2010 2015 2020 2025 2030 Hoje Target EU 2015 Target EU2020 Fonte: Eurelectric - associação da indústria eléctrica europeia
Mobilidade Eléctrica Enormes vantagens, mas o utilizador? A adopção do paradigma da electrificação do transporte tem justificações fortes: Redução de emissões de gases poluentes e de efeito de estufa; Aumento da eficiência na utilização da energia; Maximização das fontes primárias de energia, incluindo as renováveis Redução da dependência energética externa nacional; Redução da poluição sonora do transporte nas cidades. Contudo há que pesar as vantagens e desvantagens para os utilizadores... Vantagens Condução mais confortável e agradável; Possibilidade de carregar o veículo em casa; Custos de O&M muito inferiores.? Desvantagens Autonomia inferior; Tempo de carregamento; Custo das baterias; Infra-estrutura adequada e com cobertura abrangente. Custo total de tempo de vida positivo dentro de poucos anos
Principal Infra-estrutura de carregamento: A casa, mas não chega Uma das principais vantagens do carro eléctrico é poder ser carregado em casa/escritório É um carregamento lento mas o tempo que o carro está parado chega para carregar as baterias. A comodidade de quase nunca se ter de ir a uma bomba de gasolina é um grande ponto a favor dos veículos eléctricos No entanto, de modo a estender a autonomia dos veículos, são necessários postes de carregamento noutros locais: Postes de carregamento lento nos espaços de estacionamento das cidades Postes de carregamento rápido para segurança de autonomia e permitir fazer viagens mais longas Estes postes são também necessários pois a maioria dos motoristas não têm garagem privada. Por exemplo um estudo de Mobilidade da Câmara de Lisboa mostra que apenas 14% dos lugares da cidade são privados
Mobilidade Eléctrica Instalação dos primeiros pontos de carregamento A EDP em colaboração com o Governo, Câmara Municipal de Lisboa e Lisboa E-Nova, instalou os 6 primeiros pontos de carregamento WattDrive de veículos eléctricos em Lisboa e em Portugal O projecto contribuiu com experiência muito valiosa, estando-se a retirar lições importantes para o futuro.
Mobilidade Eléctrica Instalação dos primeiros pontos de carregamento Os Equipamentos têm sido utilizados por diferentes veículos suportando os testes da EDP; Os pontos têm estado em funcionamento para a frota de Polícia municipal e têm resistido a vandalismo com aparente indiferença. Não houve até à data qualquer problema de segurança. Em Julho de 2009 a rede foi aberta ao público contando neste momento com algumas dezenas de utilizadores.
O projecto Open Charge Low cost / open source EV charging station High robustness architecture and materials GPRS Shield Based on Arduino RFID Shield
Modos de Carregamento IEC 61851 Cenários do carregamento consoante a infra-estrutura Modo 1 Conexão directa do veículo à rede eléctrica AC através de conectores e sockets standards e existentes para todas as aplicações eléctricas, utilizado a fase(s), neutro e terra, e condicionada ao facto da garantia de existência de RCD (diferencial) para protecção contra choque. Modo 2 Conexão directa do veículo à rede eléctrica AC através de conectores e sockets standards para outras aplicações que não Evs, utilizado a fase(s), neutro e terra e uma caixa que serve de intermediária entre o Modo3 do veículo e o Modo 1 da infra-estrutura, com o control pilot e garantindo a existência de um RCD.
Modos de Carregamento IEC 61851 Modo 3 Conexão directa do veículo à rede eléctrica AC através de equipamento dedicado para ligação a Evs, e com um condutor de piloto de controlo entre o EV e o equipamento Funções do Control Pilot Verificação de conexão correcta da tomada Lado do veículo L1 L2 L1 L2 Lado do Carregador C Verificação da continuidade de terra de protecção Energização e corte de tensão na tomada (tomada morta) Eléctrodo em contacto com todo o chassis e partes de contacto directo VMS L3 N G L3 N G Piloto de Controlo Proximity detector C Detecta a inserção da ficha Desconexão da tomada sem tensão Comunicação de calibre de corrente Modo 4 Ligação Indirecta à rede eléctrica AC utilizando um carregador externo, e com um condutor de piloto de controlo entre o EV e o equipamento
Propostas de ficha/tomada para Modo 3 - IEC62196 A norma inclui neste momento três propostas/tipos de sistema de ficha/tomada com características diferentes: Type 1 110 V 230 V, monofásica até 32 A, max 7,2 kw, protecção IPXXB (dedos) Proposta Japão/USA Esta tomada foi já escolhida pelos USA na norma da Society of Automotive Engineers - SAE J1772 Esta norma estabelece já comunicação bi-direccional por PWM no pino do Control Pilot Type 2 110 V 480 V, mono ou trifásica até 63 A por fase ou 70 A monofásica, max. 43 kw, protecção: IPXXB sem obturadores) Proposta: Alemanha Já em utilização em vários projectos piloto e proposta para norma Europeia Type 3 110 V 400 V, mono ou trifásica até 32 A por fase, max. 22 kw, protecção: IPXXD (wire de 1mm não pode ter acesso às partes vivas) por meio de obturadores Proposta: Itália Proposta que visa incluir a utilização de obturadores para cumprimento de normas nacionais e também proposta para norma Europeia Todas as propostas prevêm mecanismos de retenção, e pinos adicionais para a função Control Pilot e Proximity Detection
Modo 4 Fornecimento de corrente DC Para Modo 4 existe neste momento a norma da associação Japonesa Chademo para potência até 60kW É já uma norma de facto a ser adoptada pelos fabricantes de carros japoneses. No entanto e a norma poderá estar limitada no futuro e no presente ser mais cara que outras soluções Para já é uma solução importante Tipos de carregamento, potências e velocidade de carregamento Carregamento Corrente [A] Tensão [V] Potência [kva] Factor de Potência Potência [kw] Monofásica Trifásica Carregamento máximo por hora para consumo de 15kwh/100 [km/h] Carregamento máximo por hora, para consumo de 20kwh/100 [km/h] Carregamento em 10 minutos, para consumo de 20kwh/100 [km] AC 16 230 3,7 0,95 3 sim 23 17 3 embarcado AC 32 230 7,4 0,95 7 sim 47 35 6 AC 16 230 11,0 0,95 10 sim 70 52 9 embarcado AC 32 230 22,1 0,95 21 sim 140 105 17 embarcado AC 63 230 43,5 0,95 41 sim 275 206 34 embarcado Tensão baterias Potência [kw] DC Externo 167 300-50 - - 333 250 42 DC Externo 250 300-75 - - 500 375 63 DC Externo 417 300-125 - - 833 625 104 DC Externo 600 300-180 - - 1200 900 150 Quick Charging Fast Charging
Principais normas de TI para infra-estrutura de VEs
Há standards que não vingam
Poderá a Rede Eléctrica aguentar? Origin: SmartGarage Report
Impacto na rede da electrificação do transporte Com a Electrificação do transporte a rede eléctrica passa a ter mais uma grande aplicação que terá um impacto a médio longo prazo. O impacto vai ser em energia que terá de ser produzida e em potência que terá de estar disponível. Esse impacto pode ser simplificadamente estimado da seguinte forma: Energia pedida à rede Consumos do veículo 15 a 20 kwh/km 10.000 a 15.000 km feitos anualmente 1,5 a 3 MWh ao ano Para 1 milhão de EVs (20% penetração) representaria entre 3% e 6% do consumo total nacional presente(50 TWh) e apenas 2% e 4% do consumo previsto para 2020 (70 TWh) Uma única turbina eólica (3MW) poderá alimentar entre 2600 a 5300 EVs Potência pedida em carregamento lento 230V, 16A - 3,68 kw Potência para a rede Para 1 milhão de EVs a carregar em casa à noite ao mesmo tempo isso representaria 3,68 GW (~28% da capacidade instalada presentemente)
Mobilidade Eléctrica As redes eléctricas, no futuro, vão ajudar Os veículos eléctricos deverão ser introduzidos numa nova realidade do sistema eléctrico: Rede de BT cada vez mais automática e monitorizada: Crescente penetração de energias renováveis voláteis e de Microgeração; Cada vez mais inteligentes aplicações eléctricas; Um mercado liberalizado e flexível Importância acrescida das redes BT Comercialização Distribuição Transporte Geração de electricidade Redes Inteligentes InovGrid VEs colaborantes com a rede: Carga inteligente e armazenamento distribuído
As utilities europeias estão activas: Projecto Grid For Vehicle G4V Projecto com grandes empresas de energia europeia e várias universidades e institutos em estreita colaboração; Objectivo: Analisar as alterações necessárias ao sector eléctrico para a electrificação massiva do transporte; Serão estudados e desenhadas soluções para os seguintes aspectos: Impacto e soluções para as redes de distribuição de electricidade em BT, MT e AT Impacto e oportunidades na operação do sistema eléctrico Soluções de tecnologia de comunicações e informática Regimes de regulação, modelos de negócio e incentivos Projecto tem o apoio da Comissão Europeia através do 7º Programa Quadro
Impacto na rede de distribuição InovGrid Technical Architecture of Reference Distribution Network Electrical Infrastructure Central SCADA/ Distribution Management System Metering and Energy Data Management Services Oriented Architecture (SOA) Data/Service Providing Stakeholders WAN MV/LV Distribution Transformer Local Control (sensors, control, ) DT C DT C GPRS, ADSL, IP Internet PLC, GPRS, Delivery Point Local devices (metering, sensors, actuators, ) User interface HA N ZigBee, LAN EB EB LAN EB EB PLC, GPRS, DTC EB Distribution Transformer Controller Energy Box WAN Wide Area Network LAN Local Area Network HAN Home Area Network Local Interactio n Consumer/Producer Remote interactio n
A EDP tem participado no projecto mobi.e, que pretende uma solução escalável e integrada Estudo de construções robustas Gestão central e integrada com gestão da rede eléctrica Definição dos equipamentos Estudo das tipologias mais adequadas
Para quem gosta de automóveis: Um EV também pode ser um objecto de culto Fisker Tesla
Muito obrigado!