Ingresos del vehículo eléctrico a la red para flotas

Jul 15, 2023

En todo Estados Unidos, Las flotas de vehículos están empezando a electrificarse. McKinsey estima que habrá alrededor de diez millones de flotas de vehículos eléctricos (EV), tanto eléctricos de batería como híbridos enchufables, para 2030.1 Análisis del Centro McKinsey para la Movilidad Futura. Mientras tanto, las empresas de servicios públicos están gestionando múltiples cuestiones relacionadas con la integración de fuentes variables de energía renovable, como la solar y la eólica. Se espera que la energía total consumida por las flotas de vehículos eléctricos sea de aproximadamente 50 teravatios-hora, o el 1 por ciento del consumo total de energía de EE. UU.2. Análisis del Centro McKinsey para la Movilidad Futura. Generar la energía necesaria presentará pocos desafíos, si es que los habrá. Por otro lado, entregar esa cantidad de energía en los momentos y velocidades necesarios ejercerá presión sobre la red, especialmente sobre la infraestructura de distribución. Las baterías de las flotas de vehículos eléctricos ofrecen un potencial único para abordar estos desafíos.

La red eléctrica (la red de cables y subestaciones de transmisión y distribución que mueven la energía desde la generación hasta el consumo) está diseñada en torno a la curva de consumo existente y sus picos típicos de demanda. Los vehículos eléctricos podrían agudizar esos picos y crear problemas. Por ejemplo, un alimentador de distribución en un vecindario donde la adopción de vehículos eléctricos personales es alta podría tener repentinamente un pico de carga durante las tardes de los días laborables, cuando los propietarios de vehículos eléctricos tienden a cargar sus vehículos. Ese pico podría sobrecargar el circuito durante esas horas y requerir actualizaciones de subestaciones o conductores que cuesten más que los ingresos de las ventas incrementales de electricidad. Esto podría aumentar las tarifas para todos.

Las abreviaturas utilizadas para identificar varios tipos de energía generada por vehículos incluyen las siguientes:

Las empresas de servicios públicos gastan miles de millones de dólares cada año en mejoras de infraestructura para ayudar a gestionar el flujo de energía, incluidos los aumentos pico locales. Las baterías de los vehículos eléctricos tienen el potencial de ayudar a reducir significativamente estos gastos al equilibrar la curva de carga para reducir la tensión en la red, utilizando baterías de vehículos o tecnología de vehículo a todo (V2X) (consulte la barra lateral, “Definición de V2X y otras tecnologías generadas por vehículos). terminología energética”).

Hay varias formas en las que la batería de un vehículo eléctrico puede aportar valor a la red en un caso de uso V2X. Cada uno ofrece beneficios únicos en términos de reducciones de costos de energía y aumento de ingresos. Este artículo se centra en el potencial de las aplicaciones de flotas en una configuración V2X, que se describe a continuación. Vale la pena señalar que el caso de uso residencial del vehículo hasta el hogar también es muy prometedor.

Los programas de capacidad de respaldo utilizan baterías de vehículos eléctricos como almacenamiento de energía para la descarga de energía de baja frecuencia en momentos de alto valor cuando la electricidad es más cara. Los programas de red para capacidad de respaldo pueden ser ad hoc, con energía suministrada en respuesta a la demanda (un programa de respuesta a la demanda), o proporcionada a la red mediante un pago contratado por la capacidad durante momentos de desajustes críticos entre la oferta y la demanda (un programa de capacidad fija). . Las flotas de vehículos eléctricos también pueden aprovechar sus baterías para lograr resiliencia energética en sus propias instalaciones, lo que se conoce como respaldo privado.

Los programas de optimización de tarifas utilizan la energía almacenada en un vehículo para amortiguar la demanda de energía y reducir la factura de servicios públicos del edificio al que está conectado el vehículo. Un tipo de programa de optimización de tarifas es el arbitraje energético, en el que la energía comprada a la red se vende nuevamente a la red a precios que alinean el costo de la electricidad con la hora del día en que se utiliza, con precios más altos para la electricidad utilizada en las horas de mayor actividad. mayor demanda. Este cuadro de tarifas se conoce como precio de la energía por tiempo de uso. Alternativamente, en lugar de vender energía a la red, una flota de vehículos eléctricos podría enviar energía a su edificio durante un precio elevado por tiempo de uso y lograr ahorros de energía para toda la instalación. Al enviar energía a un edificio, una flota de vehículos eléctricos podría reducir la demanda de energía y los cargos relacionados. Este enfoque, llamado reducción de picos, envía la descarga de energía de la flota al edificio durante los picos de carga, lo que potencialmente reduce la demanda máxima de energía mensual del sitio y el costo asociado.

Los servicios auxiliares bidireccionales ayudan a mantener el equilibrio de la red entre la producción y el consumo de energía. Un programa de servicio de regulación de frecuencia ofrece la oportunidad al propietario de un vehículo eléctrico de recibir pagos ad hoc a cambio de cargas o extracciones de electricidad en intervalos cortos de la batería de su vehículo eléctrico, que se utiliza para equilibrar la oferta y la demanda en la red. Si bien son similares a los programas de regulación de frecuencia, los programas de capacidad de reserva pueden implicar el uso de energía de vehículos eléctricos por parte de una red durante un período de tiempo más largo para proporcionar equilibrio durante períodos de alta demanda de energía imprevista o baja producción de energía. Esta es una forma de ayudar a abordar el desafío de la previsión de energía intrahoraria que enfrentan los operadores de red.

Para estimar el potencial de ingresos de V2X, McKinsey consideró tres variables principales: ubicación, caso de uso y arquetipo de flota. La ubicación de la flota determina qué empresa de servicios públicos y operador de servicios independiente (ISO) atiende al cliente de la flota y, por lo tanto, determina qué tipos de aplicaciones V2X están disponibles para las flotas y con qué tarifas de compensación. Los casos de uso de V2X considerados incluyen capacidad de respaldo, optimización de tarifas y servicios auxiliares. El tiempo y la capacidad necesarios para cada caso de uso varían ampliamente. Se utilizaron arquetipos de flotas para modelar el comportamiento de diferentes flotas para explorar el rango de potencial de ingresos entre las flotas. Los comportamientos arquetípicos de la flota influyen en cuándo y cómo es más eficiente realizar la carga V2X.

Estas ideas fueron desarrollado por el Centro McKinsey para la Movilidad Futura (MCFM). Desde 2011, el MCFM ha trabajado con partes interesadas de todo el ecosistema de movilidad proporcionando evidencia independiente e integrada sobre posibles escenarios de movilidad futuros. Con nuestro exclusivo enfoque de modelado ascendente, nuestros conocimientos permiten un viaje analítico de extremo a extremo a través del futuro de la movilidad, desde las necesidades de los consumidores hasta una combinación modal en áreas urbanas y rurales, ventas, grupos de valor y sostenibilidad del ciclo de vida. Contáctenos si está interesado en obtener acceso completo a nuestros conocimientos del mercado a través del portal McKinsey Mobility Insights.

En este análisis, un camión pesado (HDT), un camión mediano (MDT) y un autobús escolar en el territorio de Edison del sur de California mostraron el potencial de ganar entre $7,000 y $12,000 por vehículo anualmente en los casos de uso V2X (Anexo 1). Las flotas de autobuses HDT, MDT y escolares pueden aprovechar las grandes capacidades de las baterías de los vehículos y la infraestructura de carga rápida de corriente continua (CC) para maximizar los ingresos y los ahorros derivados de V2X. Las flotas de autobuses escolares están por delante de las flotas de vehículos comerciales en la exploración de la implementación de V2X; Varios proyectos piloto en California, Massachusetts y otros lugares han arrojado resultados positivos.

Nuestro análisis y modelado dieron como resultado cuatro ideas notables sobre el valor potencial de V2X y la variedad de consideraciones y circunstancias que influyen en los casos de uso de las flotas.

La disponibilidad, la estructura del programa y las tarifas de mercado de los programas V2X varían ampliamente entre las regiones ISO y de servicios públicos. Las diferencias en el potencial de ingresos dependen tanto de la empresa de servicios públicos que presta servicios en la región como de la ISO bajo la cual opera la empresa de servicios públicos. McKinsey estima que los fondos de valor V2X para un autobús escolar con vehículos eléctricos, por ejemplo, podrían oscilar entre 1.000 y 2.000 dólares por vehículo eléctrico al año en Georgia y entre 15.000 y 16.000 dólares en Virginia.

Como se muestra en el Cuadro 2, el potencial V2X no puede cotizarse como un valor uniforme para todos los vehículos eléctricos. Dependiendo de su ubicación, algunas flotas pueden obtener ganancias significativas en el costo total de propiedad de V2X y construir su infraestructura de vehículos eléctricos en torno a él. Para otras flotas, los beneficios de V2X pueden ser limitados. Los valores se basan en las tarifas existentes en la fase inicial de V2X y podrían cambiar si V2X se implementa a mayor escala.

Las ganancias del vehículo a la red (V2G) dependen en gran medida de cuánta energía (tamaño de la batería) y qué tan rápido (potencia del cargador) se puede enviar desde un vehículo eléctrico a la red. Un análisis de sensibilidad de los factores V2X que incluían la capacidad de la batería, la velocidad de carga y descarga, las relaciones entre cargador y vehículo y el tiempo de permanencia durante los picos de la red mostró que la capacidad de la batería y la velocidad de carga y descarga son los factores más importantes: un aumento del 10 por ciento en la capacidad. o la velocidad produce un aumento de aproximadamente el 10 por ciento en los ingresos.

Si bien la capacidad y la potencia del cargador son macrofactores críticos, su importancia relativa varía según el caso de uso de V2X. En la regulación de frecuencia, la energía entra y sale rápidamente de la batería en intervalos cortos. En consecuencia, la potencia del cargador es el factor más crítico para la regulación de la frecuencia. Por otro lado, la capacidad de la batería es fundamental para el arbitraje energético, en el que la cantidad de energía suministrada es el motor de los ingresos. En general, tanto la potencia de carga como la capacidad de la batería pueden actuar como limitaciones vinculantes en diferentes circunstancias. Por ejemplo, un vehículo eléctrico con batería baja al final del día probablemente tendrá una capacidad de batería limitada, mientras que un vehículo eléctrico con mayor capacidad de reserva podría verse limitada por la velocidad de descarga.

Hoy en día, el coste de la transición a una flota eléctrica es considerable. Las flotas están diseñando sus infraestructuras de carga y perfiles de carga para minimizar los gastos de capital y optimizar los gastos operativos. Este enfoque sugiere que las flotas deberían maximizar la relación cargador-vehículo y reducir la velocidad del cargador tanto como sea posible. Estas decisiones pueden tener un impacto significativo en los cargos por demanda y otros gastos operativos, así como en el gasto de capital inicial. Los operadores de flotas deben evaluar cuánto podrían ganar con V2X y decidir si el sobreprecio de los cargadores de CC bidireccionales o más rápidos justifica los ingresos potenciales.

El Cuadro 3 ilustra la compensación entre invertir en más cargadores e invertir en cargadores más rápidos para acceder a los ingresos de V2X. Por ejemplo, una flota de autobuses escolares de California en un escenario no generaría suficientes ingresos V2X para justificar más cargadores de 19 kW. Por el contrario, los ingresos adicionales de V2X al actualizar de un cargador de 19 kW a uno de 50 kW compensan completamente el costo de la actualización. Los cálculos y las decisiones varían ampliamente según la composición, el comportamiento y la ubicación de la flota.

Para las flotas de carga rápida, la regulación de frecuencia presenta un caso de negocio particularmente convincente. En California, un cargador de 50 kW en un autobús eléctrico podría ganar más de 5.000 dólares anuales por vehículo sólo con la regulación de frecuencia. El potencial es aún mayor en el territorio de PJM. 3PJM Interconnection, una organización de transmisión regional (RTO), coordina la electricidad al por mayor en todo o parte de Delaware, Illinois, Indiana, Kentucky, Maryland, Michigan, Nueva Jersey, Carolina del Norte, Ohio, Pensilvania, Tennessee, Virginia, Virginia Occidental y el Distrito de Columbia. “Quiénes somos”, PJM, consultado el 26 de junio de 2023, donde las tarifas del mercado sugieren que la misma combinación de autobús eléctrico y cargador podría ganar hasta $17,000 al año por vehículo al participar en la regulación de frecuencia.

La regulación de frecuencia ayuda a gestionar la red en tiempo real respondiendo a señales rápidas (ya sea enviando energía de vuelta a la red o absorbiéndola) y se paga en función de la producción de energía (en lugar de la energía) a través de una subasta de mercado competitiva. Si bien la regulación de frecuencia tiene un potencial considerable, existen muchas incertidumbres en torno a ella. En primer lugar, los mercados de regulación de frecuencias son ricos pero poco profundos. Solo se necesitan unos pocos gigavatios (menos de diez gigavatios) de capacidad de regulación de frecuencia en los Estados Unidos en un momento dado,4 Servicios auxiliares en los Estados Unidos, Electric Power Research Institute, junio de 2019. y muchos proyectos de almacenamiento estacionario ya están en construcción o están operando para acceder a ese mercado. En segundo lugar, persisten muchas preocupaciones relacionadas con la degradación de la batería. La cantidad mínima de capacidad requerida para participar difiere según el mercado y es probable que cambie con el tiempo.

Dada la imprevisibilidad de los flujos de ingresos, aún no está claro cómo respaldar un posible caso de negocio.

Con la creciente penetración de los vehículos eléctricos en los mercados de vehículos comerciales y personales, ha llegado el momento oportuno para llevar V2X al mercado. Pero los componentes básicos de los programas V2X aún no están formados y están muy fragmentados. En conversaciones con fabricantes de equipos originales de vehículos eléctricos y cargadores, empresas de servicios públicos, ISO, reguladores, actores de software y operadores de flotas, McKinsey identificó cuatro factores clave para la adopción generalizada de V2X, que se presentan a continuación en orden de importancia.

Aunque existen pilotos seleccionados para V2X, se refieren principalmente a autobuses escolares. Las partes interesadas de la industria coincidieron en que se necesitan más pilotos con mayor diversidad de geografía, casos de uso y tipos de vehículos para demostrar el caso de negocio y el potencial de flujo de caja. Un facilitador clave de esto sería un mayor interés y participación de las empresas de servicios públicos en todo el país, con las empresas de servicios públicos comprometiéndose y trabajando con la industria para implementar pilotos.

Actualmente no hay muchos cargadores bidireccionales certificados disponibles, aunque hay otros actores involucrados en el proceso de certificación. Esta falta de disponibilidad podría obstaculizar la adopción de V2X, dado que muchas flotas ya se están electrificando y tomando decisiones de compra sobre cargadores. Además, los cargadores bidireccionales siguen siendo significativamente más caros que los cargadores de CC unidireccionales de clasificación similar. Para reducir los costos y al mismo tiempo aumentar la disponibilidad de los cargadores, es necesario implementar más cargadores V2X para alcanzar la escala. El gobierno podría brindar apoyo en forma de incentivos específicos para el hardware V2X.

V2X requiere comunicación entre una serie de partes interesadas, incluidos fabricantes de equipos originales, empresas de carga y servicios públicos. Si bien existen varios protocolos y estándares, el ecosistema carece de un estándar claro y universal que garantice una transferencia segura y fluida de datos e información. Se necesitan estándares de comunicación universales y estandarizados entre los OEM, las empresas de servicios públicos y los cargadores para acelerar la adopción de V2X y generar confianza entre todas las partes involucradas.

Las ISO y las empresas de servicios públicos en los Estados Unidos tienen estructuras de tarifas muy diferentes, lo que significa que una flota de vehículos eléctricos que intenta pronosticar los flujos de efectivo futuros enfrenta una incertidumbre significativa. No hay garantía de que las tarifas o la compensación por V2X se mantengan en los niveles actuales, lo que genera incertidumbre sobre la compensación futura para los operadores de flotas. Para fomentar la adopción, las empresas de servicios públicos podrían ofrecer garantías de planes de compensación durante la duración del funcionamiento típico de un cargador de CC.

Los actores de V2X deberán trabajar juntos en cada habilitador para alinear sus visiones, cronogramas y puntos de cooperación para construir un ecosistema funcional y fomentar la inversión en la tecnología.

Es probable que V2G desempeñe un papel importante en el futuro de los vehículos eléctricos en Estados Unidos como una nueva fuente de ingresos para las flotas y una oportunidad para fortalecer el sector de servicios públicos y reducir su carga de capital. Dadas las complejidades y la multiplicidad de variables que rodean la implementación de V2X en los Estados Unidos, es razonable anticipar que los mercados de V2X serán localizados en lugar de nacionales.

Peter Frodees socio asociado en la oficina de McKinsey en Los Ángeles,Jesse Noffsingeres socio de la oficina de Seattle yShivika Sahdeves socio de la oficina de Nueva York.

Los autores desean agradecer a Jeff Hochhauser y Cross Pagano por sus contribuciones a este artículo.