La fira de mobilitat elèctrica, Expoelectric, és una iniciativa pionera que acosta el vehicle elèctric de zero emissions i les energies renovables a la ciutadania a través d’un conjunt d’activitats lúdiques i divulgatives per impulsar la mobilitat elèctrica i la transició energètica. El 2019 va tenir lloc a Barcelona la novena edició de la fira, en la qual per primera vegada es va decidir apostar per un nou concepte tenint en compte el seu ideal de sostenibilitat de zero emissions i generació d’energia elèctrica 100% eficient i verda.

En anteriors edicions, Expoelectric entrava en contradicció amb aquest ideal en veure’s amb l’obligació d’utilitzar grups electrògens per a subministrar l’energia elèctrica necessària a les carpes dels expositors. Així, una fira verda generava gasos contaminants i soroll consumint combustibles fòssils en els seus generadors dièsel d’electricitat. Per contra, els vehicles elèctrics exposats disposaven en els seus bateries d’una energia que, juntament amb els recursos d’energies renovables també exposats, podia ser suficient per a alimentar les carpes dels seus expositors i la resta de serveis de la fira. Davant aquesta innovadora possibilitat, les entitats organitzadores van acudir al Centre d’Innovació Tecnològica en Convertidors Estàtics i Accionaments (CITCEA) de la Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech (UPC) per a estudiar la viabilitat d’aquesta proposta d’autogeneració per a aconseguir l’autonomia energètica d’un esdeveniment dedicat als vehicles elèctrics i les energies renovables.

CITCEA-UPC va acceptar el repte de desenvolupar un equip d’electrònica de potència que fos capaç de complir amb tots els requisits necessaris: aconseguir un sistema aïllat de generació elèctrica que fos capaç en cada instant d’adaptar-se a la demanda d’electricitat dels consums partint de les bateries dels diferents vehicles elèctrics disponibles i de les generacions renovables que participessin en la fira.

Es va desenvolupar, doncs, el concepte de generador d’anella energètica (en anglès, Energy Ring Generator, ERG). Es va construir un prototip, es va experimentar en laboratori i es va realitzar una experiència pilot en la Expoelectric’18 que va validar el concepte arribant a alimentar la meitat de les carpes de la fira. Es va crear llavors el concepte d’Anella energètica.

Captura de pantalla de l’anella energètica.

Així, Expoelectric va posar en marxa el 2019 l’“Espai Autoconsum”, que va permetre que es convertís en la primera fira del sud d’Europa en generar la seva pròpia energia elèctrica a través de l’autoconsum fotovoltaic i de vehicles interconnectats a la xarxa (Vehicle to Grid, V2G). L’anella energètica permet interaccionar els vehicles elèctrics de manera bidireccional amb la xarxa elèctrica generada per la pròpia anella. D’aquesta manera, l’electricitat de l’esdeveniment prové de fonts d’energia d’origen renovable, generada íntegrament per plaques fotovoltaiques, bateries d’emmagatzematge i les aportacions energètiques procedents dels vehicles elèctrics.

L’anella energètica

L’anella energètica és una proposta derivada del concepte de microxarxa que implica interconnectar múltiples fonts de generació distribuïda i consums. En tractar-se d’un sistema completament aïllat de la xarxa de distribució, el sistema requereix d’un convertidor central i d’un sistema d’emmagatzematge de l’energia que seran els responsables d’establir la xarxa actuant com a font de tensió i, a més, de mantenir tant el valor de la tensió de subministrament com la seva freqüència dins del rang d’operació normal, garantint el balanç de potència i la seguretat del sistema en tot moment. Aquest convertidor central és el generador de l’anella energètica ERG (Energy Ring Generator), desenvolupat pel CITCEA-UPC i fabricat per la seva spin-off TEKNOCEA. Com a energia de suport, el ERG usa la bateria d’una furgoneta elèctrica dedicada a l’ús de serveis de neteja urbans, aportada per l’empresa URBASER i complementada amb bateries de segona vida fins a aconseguir una capacitat útil de 45 kWh, amb un rang de tensió d’entre 240 i 295 Vdc. És a dir, quan la generació dels nodes distribuïts que aporten energia a l’anella energètica és major que l’energia consumida per les càrregues connectades a l’anella, el convertidor central ERG emmagatzema aquest excedent carregant la bateria de la furgoneta elèctrica. En canvi, quan la càrrega és major que la generació, l’ERG ajusta el balanç de potència extraient l’energia de la bateria.

Per motius de seguretat, l’ERG genera l’anella energètica trifàsica mitjançant un transformador estrella/estrella amb neutre de 30 kVA, que permet establir un règim de neutre TT en l’anella de distribució. El sistema de tensions trifàsic que genera el ERG s’obté mitjançant un ondulador de topologia trifàsica de quatre fils que permet controlar independentment la tensió de cada fase. D’aquesta manera, l’adaptabilitat a situacions d’elevat desequilibri de càrregues es gestiona individualment, afectant de manera mínima a les altres fases i adquirint una característica de major flexibilitat que qualsevol xarxa convencional. Com la major part de nodes de generació distribuïts al llarg de l’anella són monofàsics, siguin fotovoltaics o V2G, es poden produir escenaris en què una fase estigui a plena càrrega, una altra fase estigui en buit i per la tercera fase s’injecti corrent nominal en sentit contrari. L’estructura de 4 fils permet mantenir la qualitat d’ona en les tres fases equilibrant-les internament perquè no es vegin afectades per la potència reactiva consumida per les càrregues ni pels harmònics produïts per càrregues no lineals.

Proteccions i control de l’anella energètica

A causa de la naturalesa d’una fira com Expoelectric, s’espera un perfil de consums erràtic per les contínues connexions i desconnexions de dispositius. No és descartable que pugui succeir alguna situació de curtcircuit. En una xarxa convencional, el corrent de curtcircuit que ofereix la xarxa és desenes de vegades superior al corrent dels magnetotèrmics de protecció, permetent implementar fàcilment unes proteccions en la instal·lació amb selectivitat i ràpids temps d’actuació. Per contra, en una anella energètica de les característiques d’Expoelectric el corrent màxim de curtcircuit està limitada al corrent que pot subministrar el ERG, que en ser un equip d’electrònica de potència no permet nivells de sobrecàrrega comparables a una xarxa convencional, dificultant que proteccions convencionals puguin actuar adequadament.

Per aquest motiu, el dimensionament de les proteccions de l’anella energètica ha de tenir en compte aquesta especial circumstància de baixa corrent de curtcircuit per a evitar que en algun cas l’energia de curtcircuit sigui insuficient perquè la protecció actuï.

Resultats de l’anella energètica

En l’edició de 2019 la fira va disposar de dos dispositius actius que podien injectar energia a l’anella energètica. L’empresa Audit Energia va connectar una instal·lació fotovoltaica de 5,67 kWp i l’empresa Wallbox va connectar dos carregadors bidireccionals V2G que podien proporcionar cadascun 3 kW a partir de dos vehicles Nissan Leaf de 34 kWh de capacitat utilitzable de bateria. La bateria de la furgoneta elèctrica de Urbaser aportava una capacitat utilitzable de 45 kWh. Amb aquests recursos es va donar servei elèctric a totes les carpes dels expositors que havien contractat un subministrament total de potència de 18 kW, amb un total d’energia consumida durant els dos dies de 150 kWh.

Durant la fira es va comprovar el correcte funcionament de l’anella energètica, i es va aconseguir alimentar les carpes amb una potència de pic de 15 kVA. Es va aconseguir implementar l’anella integrant equips de diferents tecnologies i gestionar el seu funcionament mitjançant el control del node central, integrat per un ERG. Aquesta experiència va demostrar que amb suficients recursos energètics distribuïts es pot prescindir de grups electrògens per a garantir el subministrament en aquesta mena d’esdeveniments. A més, es va poder fer una important tasca divulgativa, explicant i mostrant el concepte als interessats.

Com a reconeixement a la innovació que representa aquest concepte d’“anella energètica” (ERG) li va ser atorgat el premi “EmErgEnt”, concedit pel Clúster de l’Energia Eficient de Catalunya (CEEC) en la “VII Nit de l’Eficiència” al millor projecte del sector de gestió energètica desenvolupat per una start-up del sector de l’energia eficient de Catalunya en la categoria de “Producte”.