Hacia una homogeneización de la carga de vehículos eléctricos mediante tecnología inalámbrica

La electrificación del parque móvil desempeña un papel crucial para abordar el desafío de eliminar las emisiones de gases de efecto invernadero en el transporte. Sin embargo, la adopción masiva del vehículo eléctrico no es sencilla y existen una serie de barreras y limitaciones que impiden un uso mayor de esta tecnología. Desde el Centro Tecnológico ITENE se está trabajando en el desarrollo de cargadores eléctricos por inducción y aplicaciones de carga inteligente dentro del proyecto Cleanergy, que tiene como objetivo principal el desarrollo de nuevas tecnologías para estaciones inteligentes de recarga de baterías, con el último de conseguir modelos de carga homogéneos y ultrarrápidos.

Uno de los principales retos de la sociedad actual y futura es la descarbonización de su estilo de vida. Las enfermedades respiratorias, la destrucción de la naturaleza y la inestabilidad climática hacen que minimizar las emisiones atmosféricas sea una obligación. Este propósito sólo se puede conseguir mediante un cambio hacia hábitos de consumo más responsables, así como a través del empleo de nuevas tecnologías que sustituyan a las actuales tecnologías emisoras de gases contaminantes.

En ese sentido, en la Unión Europea se han establecido ambiciosos objetivos de descarbonización para los próximos años, y España ha suscrito este compromiso con la neutralidad climática con la aprobación de la Estrategia de Descarbonización a Largo Plazo en 2020 y, posteriormente, la promulgación de la Ley de cambio climático y transición energética en 2021. Estos hitos legislativos establecen un marco sólido para avanzar hacia un futuro más sostenible, y que se alinea con los objetivos de sostenibilidad y cambio climático propuestos en la agenda 2030.

Entre todos los sectores económicos, el transporte de pasajeros y mercancías presenta uno de los índices de emisiones más elevado. De acuerdo con la publicación Hydrogen roadmap Europe: A sustainable pathway for the European energy transition, el sector del transporte es uno de los mayores contribuyentes al cambio climático, produciendo en torno a un 32% de las emisiones globales de CO₂ en Europa. Sin embargo, el transporte es a su vez uno de los mayores motores económicos. Sin ir más lejos, en España, y según datos proporcionados por el Ministerio de Transportes, Movilidad y Agenda Urbana, el sector de la movilidad destaca como uno de los pilares económicos más significativos del país, generando empleo para más de 800.000 personas y representando más del 4.5% al Producto Interno Bruto (PIB) y el 13% del gasto total de los hogares.

En este contexto, la electrificación del parque móvil desempeña un papel crucial para abordar el desafío de eliminar las emisiones de gases de efecto invernadero en el transporte. Según el reporte Electric vehicles from life cycle and circular economy perspectives del año 2022 de la Agencia Europea del Medioambiente, las emisiones de CO₂ de un vehículo eléctrico son entre un 17% y un 30% menores que las emitidas por un vehículo convencional a lo largo de su ciclo de vida.

Sin embargo, la adopción masiva del vehículo eléctrico no es sencilla y existen una serie de barreras y limitaciones que impiden un uso mayor de esta tecnología. Una de las principales barreras está relacionada con la limitación de estaciones de recarga. Según Statista, actualmente en España se han instalado más de 30.000 estaciones de recarga pública, pero, sin embargo, son necesarias más de 180.000 para cumplir con los objetivos de descarbonización.

Otra de las grandes barreras del vehículo eléctrico es la falta de estandarización y regularización de los sistemas de carga de vehículos. Los cargadores de conexión directa presentan notables diferencias entre los tipos de tomas de corriente, dependiendo de las marcas y modelos de los vehículos. En el mercado existen alrededor de 7 tipos de conectores diferentes cuyo uso está ampliamente extendido. Sin embargo, en España, es habitual encontrar los cargadores tipo Schuko, el conector CCS (Tipo 1 y 2), el cargador Mennekes, el cargador CHAdeMO y el Tesla Supercharger. Cada uno de ellos permite suministrar potencias e intensidades diferentes, lo que termina modificando el tiempo total de carga del vehículo, obteniendo desde cargas lentas (Schuko) hasta las ultrarrápidas (CHAdeMO o Tesla Supercharger).

Esta variedad de cargadores dificulta la interoperabilidad de carga en largas distancias. Según el reporte 5/2021 de la European Court of Auditors: Infrastructure for charging electric vehicles solo el 51% de los vehículos eléctricos tiene un sistema de carga utilizable en varios estados miembros. Además, las diferencias en los sistemas de pago añaden un obstáculo más a la ya de por sí complicada accesibilidad a estos sistemas, dificultando una adopción a mayor escala del vehículo eléctrico.

De todo ello, se deriva que la tecnología de vehículo eléctrico debe hacerse más accesible al consumidor final, no sólo económicamente sino en comodidad de uso. Por ello, desde ITENE se está trabajando el desarrollo de cargadores eléctricos por inducción y aplicaciones de carga inteligente dentro del proyecto Cleanergy, financiado por la Agencia Valenciana de la Innovación (AVI). Este proyecto tiene como objetivo principal el desarrollo de nuevas tecnologías para estaciones inteligentes de recarga de baterías, con el último de conseguir modelos de carga homogéneos y ultrarrápidos.

Figura 1: Sistema de carga de un vehículo mediante inducción electromagnética. Fuente: banco de imágenes.

El proyecto Cleanergy pretende cubrir una necesidad debido al estado del arte actual en el ámbito de la carga de vehículo eléctrico y como una solución para superar las barreras técnicas de la movilidad eléctrica y sostenible del futuro. Además, de ayudar en la ordenación de dicha movilidad mediante el desarrollo de algoritmos de Inteligencia Artificial (IA) para optimizar las cargas y garantizar un suministro energético adecuado mediante la gestión inteligente de la energía.

Figura 2: Esquema o pictograma del funcionamiento de la Ley de Faraday de la inducción electromagnética. Fuente: banco de imágenes.

En este proyecto, aparte de Itene, participan entidades como la Universitat Politècnica de València (UPV) y empresas líderes en su sector como Itera Engineering, Nunsys Sothis, V2C y Next Electric Motors. Esta agrupación forma un consorcio potente capaz de abordar la problemática estudiada desde diferentes ángulos que se complementan entre sí, y que abarca desde la fase de diseño hasta la implantación final y mejora continua, lo que redunda en una solución completa, innovadora y con capacidad de escalar los resultados a una madurez tecnológica más avanzada.

Para ITENE, la actividad principal dentro del proyecto Cleanergy ha consistido, por un lado, en el desarrollo de una tecnología de recarga inalámbrica por inducción eléctrica, y por otro, los algoritmos de IA para generar aplicaciones que darán servicio a Smart Cities.

La carga inalámbrica de baterías consiste en colocar el dispositivo eléctrico en una superficie determinada y, mediante el uso de dos bobinas (transmisor y receptor), proporcionar una corriente inducida en la batería capaz de cargarla, prescindiendo del cable conector a la infraestructura de recarga. Este sistema se basa en la ley de Faraday de la inducción electromagnética, por la que se genera un campo magnético debido al movimiento de una corriente eléctrica en el transmisor. Esta corriente eléctrica proviene de una fuente de energía como puede ser un enchufe de pared o un puerto USB. Después, el campo magnético generado, es capaz de crear una corriente eléctrica alterna en la bobina receptora. A continuación, esta corriente ha de rectificarse y regularse para transformarla en una corriente continua segura capaz de alimentar la batería. Finalmente, con la corriente eléctrica adecuada, la batería almacena la energía eléctrica que luego se empleará para alimentar el dispositivo.

Figura 3: Equipo de control de carga por inducción desarrollado por ITENE. Foto: ITENE.

Se trata de una tecnología existente desde hace décadas, principalmente aplicado al uso en transformadores eléctricos o en cocina para calentar los utensilios. Sin embargo, su potencial para la carga de baterías se ha empezado a explorar en los últimos años gracias al auge del mercado de los vehículos eléctricos.

La carga por inducción tiene el potencial de estandarizar los sistemas de carga futuros. Sin embargo, cuenta con una serie de limitaciones. En primer lugar, las bobinas deben situarse próximas entre sí para optimizar el rendimiento de la inducción eléctrica. La distancia entre ambas bobinas tiene una relación inversamente proporcional al rendimiento del proceso. Además, el sistema global debe estar preparado para disipar la energía térmica generada, ya que, este tipo de procesos tienden a tener mayores pérdidas en forma de calor.

En segundo lugar, la potencia máxima transferible para un tamaño de cargador asequible para dispositivos pequeños como un teléfono móvil es de 10 W, mientras que los prototipos más vanguardistas en carga inalámbrica de vehículo están suministrando potencias de hasta 300 kW. Por último, el posicionamiento del vehículo con respecto al cargador es una restricción que debe ser evaluada con detalle. La fuerte dependencia del rendimiento del proceso frente a la distancia entre ambas bobinas hace que dicho posicionamiento del vehículo no sea un resultado trivial. Todos estos aspectos están siendo investigados por ITENE en el marco del proyecto Cleanergy.

En cuanto a los algoritmos de IA para dar servicio a una Smart City en este ámbito de la movilidad eléctrica, ITENE ha trabajado en distintas aplicaciones, como el análisis de la densidad de tráfico por zonas delimitadas entre cargadores públicos disponibles o el sistema de recomendación de punto de recarga en función de la carga actual, su descarga prevista y de la disponibilidad de cargadores cercanos.

El análisis de la densidad de tráfico permitirá optimizar la ruta escogida por los usuarios del vehículo eléctrico, evitando aquellas zonas que puedan estar más congestionadas y degraden la carga de sus baterías debido a los transitorios generados por los ciclos de arranque-frenada típicos en un atasco. Mientras que el sistema de recomendación permitirá a dichos usuarios anticiparse a la caída de energía en sus sistemas de almacenamiento, y les ofrecerá la infraestructura de recarga óptima en función de esa degradación, el uso actual y la demanda energética prevista. De este modo, será posible una mayor ordenación de esta infraestructura y evitar colas o que al llegar a la electrolinera ésta se encuentre fuera de servicio.