Optimización del proceso de carga en una estación de intercambio de baterías para scooters

Abstract

[ES] El calentamiento global está obligando a los países a buscar soluciones de adaptación y mitigación, para solucionar el cambio climático. Los sectores que más cantidad de energía demandan son el transporte, la industria y las residencias. A su vez, las anteriormente citadas junto a la agricultura y ganadería, y la generación de electricidad, son los sectores que más contaminan actualmente en España. Por ello, abordar y afrontar un cambio en el paradigma del transporte es de vital importancia para reducir la huella de carbono.

Las soluciones principales para conseguir un cambio hacia la descarbonización del transporte son: electrificar los vehículos, acompañados de una generación de energía eléctrica limpia; y las pilas de hidrógeno, las cuales aún tienen por delante un largo camino de desarrollo e investigación. A corto plazo, la opción más viable son los vehículos eléctricos.

Dentro de esta solución, se abre un problema relacionado con la autonomía y los tiempos de espera de los vehículos eléctricos. La autonomía se puede solucionar aumentando el número de baterías o su capacidad, pero implicaría una subida importante en los costes. No obstante, existe una solución poco extendida por Europa que son las llamadas estaciones de intercambio de baterías, donde el tiempo de carga del vehículo dependerá de la disposición de tener una batería cargada disponible y del tiempo en sí del intercambio, lo que soluciona tanto el problema del tiempo de espera como el de la autonomía, porque se puede ampliar la duración de la batería con los intercambios en un período corto de tiempo. Debido a la complejidad de cambiar baterías pesadas en vehículos grandes, las estaciones de intercambio tienen un gran potencial en vehículos ligeros.

El presente trabajo realiza un análisis de la situación actual de la energía en nuestro entorno, para posteriormente, realizar un análisis sobre el diseño y control de una estación de intercambio de baterías para scooters eléctricos. Desde el punto de vista de una empresa de scooters eléctricos, se optimizará la carga en la estación de intercambio de baterías, principalmente para minimizar los costes. Además, también se analizará la viabilidad de incorporar paneles solares fotovoltaicos y una batería de almacenamiento para observar sus efectos en el coste, pero también en el ahorro de energía y por lo tanto en el decremento de la contaminación. Por último, se empleará la optimización para, no solo minimizar los costes económicos, sino también tener en cuenta las emisiones de dióxido de carbono.

Este trabajo se realizará mediante simulaciones que pretenderán recrear el funcionamiento de la estación durante un día, donde se tendrán en cuenta varias entradas al sistema y el cálculo estará basado en un proceso de optimización llamado dynamic programming. Dichas simulaciones incorporarán novedades conforme se avance en el desarrollo del código.

[EN] Global warming is forcing countries to seek adaptation and mitigation solutions to solve climate change. The sectors that demand the most energy are transport, industry and residences. In turn, the previously mentioned, together with agriculture and livestock, and electricity generation, are the sectors that currently pollute the most in Spain. Therefore, addressing and facing a change in the transport paradigm is of vital importance to reduce the carbon footprint.

The main solutions to achieve a change towards the decarbonisation of transport are: electrifying vehicles, accompanied by clean electricity generation; and hydrogen batteries, which still have a long road of development and research ahead of them. In the short term, the most viable option is electric vehicles.

Within this solution, a problem related to the autonomy and waiting times of electric vehicles opens. The autonomy can be solved by increasing the number of batteries or their capacity, but it would imply a significant increase in costs. However, there is a solution that is not widely used in Europe, which are the so-called battery exchange stations, where the charging time of the vehicle will depend on the willingness to have a charged battery available and on the exchange time itself, which solves both the standby time problem like autonomy problem, because you can extend the battery life with the exchanges in a short period of time. Due to the complexity of changing heavy batteries in large vehicles, swap stations have great potential in light vehicles.

The present work carries out an analysis of the current energy situation in our environment, to later carry out an analysis on the design and control of a battery exchange station for electric scooters. From the point of view of an electric scooter company, charging at the battery swapping station will be optimized, mainly to minimize costs. In addition, the feasibility of incorporating photovoltaic solar panels and a storage battery will also be analyzed to observe their effects on cost, but also on energy savings and therefore on the decrease in pollution. Finally, optimization will be used to not only minimize economic costs, but also take carbon dioxide emissions into account.

This work will be carried out through simulations that will try to recreate the operation of the station during a day, where various inputs to the system will be taken into account and the calculation will be based on an optimization process called dynamic programming. Said simulations will incorporate novelties as progress is made in the development of the code.