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El futuro de las recargas por inducción para carros eléctricos

del sueño de Tesla a la realidad tecnológica de los próximos años

¿Te imaginas un mundo sin cables? Algo así es lo que visualizaba Nikola Tesla desde finales del s. XIX con sus experimentos basados en inducción electrostática. Con esos experimentos sorprendía a las multitudes mostrando, entre otras cosas, cómo podía iluminar bombillas sin enchufarlas. El desarrollo de la torre Wardenclyffe fue el máximo exponente de su fuerte apuesta por los sistemas inalámbricos, aunque en menos de un año ese mismo proyecto fue una de las causas que lo llevaron a la ruina.

Los años pasaron y la idea quedó en el olvido hasta que fue rescatada más de un siglo después, hace apenas una década, por Marin Soljiacic en sus investigaciones asociadas al MIT. A partir de este momento las aplicaciones de esta tecnología se han ido disparando y, por supuesto, también ha llegado a la carga de vehículos eléctricos. Conozcamos en detalle el funcionamiento de esta tecnología y qué implicará para el sector del automóvil eléctrico.

La electricidad inalámbrica: Faraday y la resonancia
Entendamos, antes que nada, el principio de funcionamiento. Para ello, será necesario recurrir a uno de los principales referentes de la historia en el estudio de la electricidad y el magnetismo: Michael Faraday.

 

Induction Experiment
Ilustración de los experimentos de inducción electromagnética de Faraday
En su ley de la inducción electromagnética, publicada en 1831, describió que un medio conductor, al verse atravesado por un campo magnético variable, tendrá inducida una diferencia de potencial que dará lugar a una corriente eléctrica. De igual manera se produce el fenómeno en el caso contrario: una corriente que circula por un conductor llevará asociada a ella un campo magnético.

Ahora bien, ¿de qué nos sirve esto? ¿Qué tiene que ver con la electricidad inalámbrica? Según lo que hemos visto, si formamos un bobinado haciendo muchas espiras con un conductor y hacemos pasar por él corriente eléctrica, estaremos generando un campo magnético que será mayor cuantas más espiras hayamos creado. Ese dispositivo es un electroimán.

Y, ¿qué pasa si lo enfrentamos a otro bobinado que esté conectado a una bombilla? Pues que cada una de las espiras de ese nuevo bobinado va a percibir una diferencia de potencial a causa del campo magnético. Esa diferencia de potencial dará lugar a una corriente y… ¡Eureka! Se hizo la luz.

 

Soljacic Experiment
Así fue uno de los primeros experimentos de Soljacic, el investigador croata del MIT, y el pistoletazo de salida a toda una nueva tecnología que ya ha llegado a diversos sectores de la industria. Y, cómo no, el vehículo eléctrico tampoco podía faltar en sus numerosas aplicaciones.

Mediante la instalación de un bobinado emisor, que recibirá la energía de la red eléctrica, se pretende transmitir la electricidad mediante campos magnéticos al bobinado receptor ubicado en el interior del automóvil para que la corriente inducida recargue sus baterías. Y, aunque parezca ficción, lo cierto es que ya existen instalaciones en funcionamiento y varios proyectos de innovación que tienen por objetivo principal estandarizar la tecnología.

Llegados a este punto es lógico que se nos plantee un problema: ¿cómo es posible que las pérdidas energéticas no hagan inviable esta tecnología? Si en lugar de ser conducida por un cable la corriente tiene que ser inducida por un campo magnético, es de suponer que habrá menos eficiencia en la transferencia de energía. Sin embargo, no todo lo que es oro reluce y en este caso no podríamos estar más lejos de la realidad. Realmente las pérdidas en eficiencia son muy pequeñas y esto se consigue gracias a la resonancia magnética.

Así como cuando una soprano consigue romper la clásica copa sincronizando la frecuencia de su canto con la frecuencia de resonancia del cristal, ese mismo efecto se puede producir con el campo electromagnético. La bobina receptora, por sus características constructivas, tendrá una frecuencia de resonancia concreta. Si se la hace coincidir con la frecuencia de la corriente alterna que generará el campo magnético lograremos maximizar la eficiencia de la transferencia de energía.

Para hablar de cifras hemos entrado en contacto con la Fundación CIRCE, desde donde se han realizado varias investigaciones punteras en el ámbito de la recarga inalámbrica de vehículos. Allí nos atendió Carlos Pueyo, Director del Área de Integración de Sistemas en Red. “Nuestros diseños alcanzan niveles de eficiencia en la transferencia superiores al 96%. En aplicaciones reales, contando con el desalineamiento de las bobinas o el cambio de altura entre primario y secundario, este rendimiento podría bajar al 90%”. Sin duda, unas cifras que invitan a imaginar un mundo en el que estos sistemas se popularicen.

La recarga inalámbrica de vehículos está cerca
La aplicación a los vehículos eléctricos de la también llamada witricidad está ya presentando numerosos avances a gran velocidad. Tanto es así que ya hay varios prototipos en funcionamiento en distintos países europeos, incluyendo el nuestro. Desde España se han desarrollado en los últimos años algunos de los proyectos más punteros en materia de innovación en recarga inalámbrica de vehículos. Y la Fundación CIRCE ha estado en varios de ellos desde su sede principal en Zaragoza.

 

“Las ventajas que presenta frente a la recarga conductiva se centran fundamentalmente en su flexibilidad, usabilidad y la protección de los equipos contra el vandalismo, al estar soterrado”, enfatiza Pueyo. También por este aspecto se reduce el impacto visual de los sistemas de carga conductiva. Sin duda, hay razones de sobra para pensar que la carga inductiva tiene un alto potencial. “Ya hay varios ejemplos en Europa y confiamos que en los próximos 5 años veamos instalaciones en las principales ciudades del mundo”.

Uno de los primeros proyectos desarrollados en este ámbito fue Unplugged, constituido por más de 17 socios con el objetivo de crear una estación de recarga inductiva flexible. “Se planteaba un sistema modular para alimentar sistemas de 25 kW o 50 kW según el tipo de vehículo que accede al sistema de carga. Esto facilita el uso de la infraestructura por parte de un mayor número de vehículos”, nos comenta Pueyo.

Autobús del Proyecto VICTORIA
Pero, aunque Unplugged finalizara el pasado año 2015, desde la fundación aragonesa continúan investigando y trabajando en el sector de la electricidad inalámbrica y sus aplicaciones. El Experto Tecnológico de Estudios de Red y Smart Grids de CIRCE, Hans Bludszuweit, nos ha dado una visión de los próximos pasos que dará esta tecnología.

“Primero se extenderán los sistemas domésticos de baja potencia (carga lenta), que ya cuentan con soluciones comerciales. Algo más tarde habrá sistemas 50 kW y más para la recarga en el transporte público (autobuses y taxis)”. En esa línea, Carlos Pueyo apunta que los sistemas inalámbricos “permiten realizar cargas de oportunidad que de otra forma deberían implicar el conexionado de una manguera. Esto facilita reducir los kWh de almacenamiento embarcados en los vehículos, que es una parte muy relevante de su coste”.

Aunque para que esto sea efectivo es necesario aumentar la rapidez de la carga. El pasado jueves 26 de octubre se conseguía un hito en el seno de CIRCE: triplicar capacidad de transmisión de potencia por inducción llegando hasta los 300 kW. Llegamos, así, al orden de magnitud de los sistemas de carga ultrarrápida que permiten una reducción del tiempo de recarga de hasta un 60% con respecto a los sistemas disponibles en la actualidad.

Recarga Rapida Bus
Pero este campo de trabajo no se queda solo en centros de investigación. También las empresas están haciendo una fuerte apuesta por la tecnología inalámbrica para la recarga de vehículos, como muestra su fuerte presencia en todos los proyectos de innovación mencionados. Además, los principales fabricantes de vehículos eléctricos están desarrollando sistemas propios de recarga por witricidad para poder incorporar esta tecnología a sus modelos.

Esta década ha sido clave en el boom de la tecnología inalámbrica. Gigantes del automóvil como Audi han trabajado durante los últimos años en incorporar las bobinas de carga en sus vehículos y ya en su web anuncian su próxima incorporación al ansiado e-Tron. También empresas como Daimler o Nissan trabajan en la incorporación de este sistema de recarga a sus modelos, preparándose para una realidad bastante cercana.

Además, la compañía japonesa colabora estrechamente con la startup WiTricity (fundada por el mencionado Marin Soljacic) para el desarrollo de un plan de estandarización del protocolo internacional SAE J2954, que considera este tipo de carga para los vehículos.

Wireless Charging Point
En busca de la reducción de precios
Sin duda, a futuro se prevén multitud de aplicaciones para este tipo de sistemas. A nivel doméstico ya existen aplicaciones de carga lenta de dispositivos, aunque su presencia irá en aumento. También en ámbito industrial suponen una ventaja al dotar a los robots de mayor autonomía. Volviendo al sector de la movilidad eléctrica, se vislumbra un alto potencial a su aplicación en la recarga de servicios de transporte público y de carros autónomos compartidos. Esta sería, tal vez, una de las futuras aplicaciones en las que más podría contribuir la carga inalámbrica.

Para convertir esto en realidad, se está actualmente investigando en la recarga de vehículos en movimiento. En esta línea, la empresa de telecomunicaciones Qualcomm instaló en Versalles un prototipo demostrador de carretera inductiva en el que empleaban el mismo concepto: un carril con bobinados bajo el asfalto que inducen corriente en el bobinado interno de los vehículos y recargan sus baterías. El objetivo era que el balance entre el consumo del vehículo y la recarga que recibían hiciera mínimo el gasto energético neto.

Carretera Inductiva Qualcomm
Por su parte, el proyecto europeo FABRIC también ha trabajado intensamente en estas cuestiones con un consorcio de 25 organizaciones, entre las también participa la Fundación CIRCE como referente español en este campo. Hemos pedido a Bludszuweit que nos describa la experiencia en el proyecto: “FABRIC ha demostrado que es posible la recarga inductiva dinámica (carga en movimiento), aunque el coste de la infraestructura es muy elevado y el horizonte para sistema comerciales está más allá de 10 años. Además, requiere previamente el pleno desarrollo de la recarga estática”.

En su desarrollo, en cualquier caso, FABRIC arrojó conclusiones claras con respecto a la interoperabilidad de la infraestructura por parte de distintos tipos de vehículo. “Se ha visto que, de momento, los sistemas de baja potencia no son interoperables con potencias más altas (> 20 kW). Sin embargo, las tendencias más recientes apuntan a que los carros eléctricos estarán preparados para carga rápida, por lo cual es probable que en la vía pública el estándar podrá ser de 50 kW y esto permitiría sistemas interoperables, desde carros compactos hasta furgonetas y autobuses”.

Bmw Wireless Charging
Con la popularización de los vehículos eléctricos se espera conseguir precios cada vez más competitivos también para todas sus infraestructuras asociadas. El primer paso, por supuesto, está en la reducción de precios de baterías para hacer que los vehículos sean cada vez más asequibles, así como en la creación de una red de recarga que permita a sus usuarios utilizar el carro eléctrico como verdadero sustituto a los de combustión.

De manera complementaria, la recarga inalámbrica debe progresivamente convertirse en una tecnología competitiva capaz de convivir con el sistema de carga conductivo. Para ello, Carlos Pueyo apunta que es imprescindible la “estandarización de las recargas a potencias superiores a 20kW, permitiendo sistemas interoperables y, cómo no, la reducción del coste de la tecnología. Esto último se conseguirá una vez comience la economía de escala de fabricación de los sistemas”. Sin duda, el progreso en el estado de esta tecnología, con la fuerte implicación de instituciones y empresas, dará mucho de qué hablar en los próximos años.

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