El intercambio de baterías utiliza menos baterías de lo que cree.

El motor primario Janus Electric utilizado por OZ Minerals. Foto cedida por Qube.

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Hace algún tiempo, cuando escribí un artículo sobre Janus Electric, una empresa australiana de camiones eléctricos que se especializa en conversiones semielectrónicas a diésel y sistemas de intercambio de baterías, lo dejé de lado hasta que me topé con una entrevista al CEO de Janus, Ben Hutt. El entrevistador preguntó cuánto coste adicional en baterías había para operar los camiones como flota en modo de intercambio. Él respondió que era aproximadamente un 30%. Janus sabría la respuesta, ya que ellos establecen o operan corredores de transporte para camiones pesados. Resulta que hice cálculos al respecto hace tiempo que mostraban cómo funciona este ingenioso método.

Al principio, cuando examiné las operaciones de intercambio de camiones, utilicé el concepto de transacción de carga por unidad, que es el elemento más básico para reponer las baterías. Con el tiempo, dibujé ilustraciones de estas transacciones unitarias para mostrar cómo funcionaban y cómo se expandían esas celdas individuales. Si una imagen vale mil palabras, también es una excelente forma de comprender cómo funciona algo y de representar matemáticamente esos procesos. Cuando me topé con la cita del CEO de Janus, recordé al instante un concepto sobre el que escribí en un breve artículo titulado “Planificación de estaciones y cargadores para vehículos eléctricos”. Ilustrémoslo comparando la transacción unitaria más simple y cómo se escala. Se trata de un análisis sin esperas, donde cada expansión se logra mediante la superposición de métodos. Hagámoslo con imágenes. Así es como se ve una transacción unitaria:

Para que las transacciones unitarias puedan cubrir distancias más largas, podemos emplear lo que yo denomino organización en cadena. Al hacer que cada camión arranque a intervalos adecuados, todos se distribuyen de tal manera que siempre haya un camión en ruta entre las estaciones. Lo llamo organización en cadena porque recuerda a una cadena: solo hay un camión entre las estaciones de intercambio con baterías móviles, y una batería de intercambio en la estación que se carga lentamente. Podemos ilustrarlo conectando las transacciones unitarias entre sí; véase la Figura 2.

Tenga en cuenta que este concepto funciona en ambas direcciones. Podemos invertir la imagen, mostrando camiones que se dirigen en sentido contrario. Es fácil comprender cómo podemos crear un sistema de estaciones que conecte dos puntos finales a cualquier distancia arbitraria. La proporción entre baterías, camiones y estaciones es la misma que en una transacción unitaria. Podría llamarse un bucle en cadena. Tiene sentido, ya que los camiones siempre van de la zona de recogida al destino y de vuelta. ¿Ve lo sencillo que es determinar la escala en la Figura 3?

Si los inicio de los viajes en vehículo se programan por fases, entonces solo podremos tener un camión en ruta y una batería de repuesto en cada estación. De esta manera, podemos organizar los inicio de los viajes de modo que siempre haya un camión en camino hacia la siguiente estación, y siempre haya una batería móvil y una de repuesto para cada camión. La escalabilidad es sencilla.

A continuación, podemos utilizar el método de relleno de rutas. En lugar de un camión entre estaciones, elegimos un número diferente para los camiones en ruta. Si elegimos tres, entonces siempre habrá tres camiones con baterías móviles y una batería de repuesto. En el intervalo entre los camiones en ruta, la batería puede cargarse, y luego el camión recibe una nueva batería mientras deja otra para que se cargue. Esto minimiza la cantidad de baterías utilizadas y la demanda máxima de energía. Aquí es donde vemos cómo Janus puede tener un costo adicional por baterías del 33% solo para reemplazos, con tres camiones en ruta según la ilustración de la Figura 4.

El artículo muestra cómo los envíos en camiones pueden aumentar de forma intermitente, con más de un camión siendo enviado al mismo tiempo. Gracias a esto, el volumen de carga de la flota puede incrementarse de manera programada. El efecto de las salidas simultáneas se muestra en la Figura 5.

Las baterías pueden cambiarse en 4 minutos, y las llegadas se atenderán en consecuencia. En la práctica, por ejemplo, en el caso de cuatro camiones que llegan, todos serán atendidos en 16 minutos, y cualquier cambio posterior no generará esperas ya que las llegadas se sucederán cada 4 minutos. El intervalo de tiempo entre los envíos en camiones puede ser mayor que el tiempo necesario para cambiar las baterías.

Se puede reducir el tamaño de las baterías móviles para aumentar su capacidad de carga. La ilustración muestra cómo funciona esto: las estaciones ubicadas a intervalos de la mitad de la distancia reducen a la mitad el tamaño de la batería. La cantidad total de baterías del sistema permanece igual, pero el tamaño de la batería móvil se reduce a la mitad y la capacidad de carga del camión aumenta, como se muestra en la Figura 6.

Finalmente, los conceptos de transacciones unitarias permiten mostrar y comparar fácilmente la demanda máxima de potencia y los requisitos energéticos de los sistemas. El análisis gráfico muestra cómo funciona el intercambio de baterías, cómo se expande según sea necesario y cómo minimizar la demanda máxima de potencia en la red así como los costos operativos de las estaciones de intercambio de manera flexible y predecible.

Conclusión

Las ilustraciones de transacciones unitarias son una forma útil de visualizar las necesidades de recarga de baterías en los vehículos eléctricos. Los camiones pueden operar con una infraestructura de cambio de baterías tan reducida como un tercio de la cantidad de baterías que llevan. Las ilustraciones gráficas muestran fácilmente cómo las operaciones del sistema de transporte pueden minimizar la demanda máxima de energía en la red, los requisitos de baterías y los costos de capital del sistema mediante conceptos como la planificación inicial de los viajes, el relleno de rutas y múltiples salidas. Estas ilustraciones facilitan la planificación de las operaciones iniciales y la expansión, así como el análisis de los costos de capital y operativos. En los sistemas de transporte eléctrico, resulta beneficioso organizar y coordinar los envíos en una cadena continua, lo cual es adecuado para los corredores de transporte entre puertos y grandes almacenes, minas u otros destinos concentrados en dichos corredores. No es necesario contar con una batería de cambio para cada camión. Al utilizar el relleno de rutas, la infraestructura de baterías del sistema...

Las necesidades de energía pueden reducirse a una fracción de los requisitos de baterías móviles. Una ilustración adicional puede mostrar cómo otras estrategias se adaptan a las necesidades de transporte desde el almacén hasta los centros minoristas, y cómo la granularidad del sistema se ajusta a las necesidades de entrega local en cada nivel y longitud de ruta. Existen aún más conceptos que explorar para las operaciones de estaciones remotas.