Comunicación presentada al IV Congreso Ciudades Inteligentes:
Autores
- Mª Carmen Bueno, Vigilancia Tecnológica, ETRA Investigación y Desarrollo
- Antonio Marqués, Director de Tecnología, ETRA Investigación y Desarrollo
- Juan Ángel Terrón, Director Adjunto, EMT Madrid
Resumen
Retos como el rango de operación de los autobuses eléctricos e inconvenientes de la infraestructura de recarga en calle son aspectos que los operadores de transporte han de abordar en la transición hacia flotas 100% eléctricas. El proyecto descrito es una alternativa real y viable; elimina la necesidad de adquirir nuevos vehículos y permite recargar baterías respetando la regulación en frecuencia del servicio. Se describe la implantación, en colaboración con EMT Madrid, de un sistema integral que es un hito tecnológico único en España y un logro muy relevante a nivel europeo, por el que se establece la primera línea de autobús en operación en España servida íntegramente por autobuses eléctricos con un sistema de recarga por inducción.
Palabras clave
Electromovilidad, Recarga Inductiva, Inducción, Autobuses Eléctricos, Línea Eléctrica, Transporte Público, Carga de Oportunidad
Introducción
EMT Madrid, uno de los principales operadores de autobuses públicos de Europa, ha apoyado firmemente la investigación y actuaciones para el uso de combustibles limpios y menos contaminantes para así garantizar que su impacto ambiental en la ciudad de Madrid sea lo más bajo posible. Con el objetivo de tener una flota 100% “verde” en 2020 (a día de hoy lo es el 73,7%) y dentro de las actuaciones recogidas en el marco del PLAN A -Plan de Calidad de aire de la ciudad de Madrid-, la empresa municipal de transportes, como vía para implantar autobuses eléctricos en la flota del servicio público de transporte de manera efectiva en cuanto a costes y operatividad, lanzó un proceso de licitación abierto conforme a su plan estratégico para la definición y ejecución de un proyecto que permitiese la operación de una línea de la red de transporte en modo 100% eléctrico, durante todas las horas del servicio; manteniendo la regulación en frecuencia de ésta y eliminando la necesidad de volver a cocheras para recargar baterías.
Para cumplir estas exigencias, y tras analizar el estado del arte de las tecnologías de recarga existentes, se estableció que el proyecto a ejecutar debía basarse en el principio de recarga por inducción (por sus prestaciones, grado de madurez y un futuro a corto-medio plazo en el que ya en 2017 existen soluciones comerciales consolidadas) y obtener así una flota de vehículos eléctricos mediante la transformación de vehículos existentes híbridos (GNC).
Las bases para el desarrollo e implantación del sistema integral de recarga por inducción han requerido la ejecución de un proyecto multidisciplinar cuyo éxito se ha sustentado en una gran capacidad tecnológica y de ejecución integral. Gracias a esto, se ha logrado la implantación de un sistema de gran complejidad con carácter innovador tanto a nivel nacional como europeo. El alcance de los trabajos se extiende desde la redacción de proyecto y posterior dirección hasta ejecución de obra civil, tramitación de solicitudes de acometida eléctrica para conexión a red de la infraestructura de recarga en calle, suministro e instalación de las estaciones de recarga por inducción en cabeceras de línea y en cochera, modernización de los autobuses para operación 100% eléctrica, ingeniería y desarrollo para la monitorización remota de las estaciones de recarga desde el centro de control de EMT e integración en el Sistema de Ayuda a la Explotación (SAE) de la capacidad de operación de líneas 100% eléctricas, suministro e instalación de componentes, así como soporte técnico y mantenimiento.
El desarrollo e implantación del proyecto se ha llevado a cabo durante 2017 con el objetivo de eliminar las barreras de inversión económica y de impacto de la infraestructura de recarga en calle, que limitan la decisión por parte de los servicios públicos de transporte a la hora de incluir vehículos eléctricos en sus flotas. Cabe destacar que es el primer proyecto de esta envergadura ejecutado íntegramente por empresas españolas. En el proyecto se han diferenciado claramente varias fases que han permitido establecer interesantes conclusiones acerca de cómo plantear un proyecto de electromovilidad de esta índole, totalmente innovador, adaptado a la idiosincrasia del operador de transporte público en su contexto y, que tiene en cuenta al usuario final desde el primer momento y en cada una de las etapas de desarrollo del proyecto.
En una primera fase se definieron los requerimientos técnicos y funcionales del sistema en base a los casos de uso de los diferentes actores que debían interactuar con el sistema integral de recarga para su correcta explotación. Reuniones llevadas a cabo con miembros de diferentes áreas de EMT Madrid permitieron refinar dichos requerimientos y contemplar la perspectiva de los usuarios, lo cual permitió llegar a un balance entre las posibilidades técnicas de la solución propuesta y la lista de deseos de los usuarios.
Así mismo, se analizó la idoneidad y características de la línea para dimensionar los requisitos técnicos relacionados con los procedimientos de recarga, tiempos de recarga en cabeceras, potencia transferida necesaria por cada recarga individual en cabecera o el dimensionamiento de baterías, entre otros. Con este punto de partida, se planteó la arquitectura del sistema y una arquitectura funcional, se realizaron las actuaciones, trabajos y desarrollos antes descritos y finalmente se adaptaron estos servicios para su implementación en la línea 76 de EMT Madrid. Mientras se realizaban todos los desarrollos tecnológicos, se establecieron los mecanismos necesarios para involucrar al operador de transportes a través de reuniones temáticas/departamentales para la mejora de funcionalidades, desde el punto de vista de la usabilidad, diseños, seguridad, eficiencia de operación y correcta integración con los sistemas y recursos de EMT Madrid.
Fase crítica y relevante del proyecto es que por primera vez se ha logrado la homologación completa del conjunto del sistema, tanto vehículo como cargadores. Además, se ha realizado la certificación y homologación en cuanto a emisiones de campo electromagnético, certificándose la seguridad del principio y proceso de recarga.
Como fase final, las pruebas de funcionamiento y validación comenzaron en septiembre de 2017. Estas pruebas se han continuado hasta principios de 2018, donde la línea ha comenzado a operar íntegramente en modo eléctrico. Desde entonces un alto número de usuarios, una media de 400 pasajeros/día, ha podido formar parte y disfrutar de la experiencia de viajar en un medio de transporte 100% eléctrico. Los resultados de la evaluación se están incorporando como hoja de ruta para el despliegue a gran escala de esta solución de electromovilidad, y puede ser la referencia para cualquier ciudad o municipio pues, según los responsables del proyecto, la preparación de los autobuses así como la obra civil e instalación de la infraestructura de recarga junto con operación integral desde el SAE del operador se ha realizado a un coste muy competitivo, por lo que se considera que se ha abierto la brecha a que otras empresas de transporte público sigan el mismo camino.
El sistema integral de recarga inductiva del proyecto de EMT Madrid
Este sistema representa una completa solución de gestión centralizada además de equipamiento innovador, tanto a nivel embarcado como en la vía pública, ofreciendo una solución integral autobús-sistema de recarga. La solución se compone de los siguientes subsistemas: Plataforma de Gestión, Infraestructura de Recarga y Subsistema Embarcado.
La plataforma de gestión permite la operación y la regulación automática del servicio desde el SAE del operador de transporte. El proceso de carga, la información de estado del punto de carga y los parámetros de los autobuses eléctricos (nivel de carga de la batería y rango del bus) son monitorizados desde el SAE.
El sistema implantado presenta una ventaja competitiva e innovadora respecto a otras soluciones en el ámbito de la electrificación del transporte público, y es la operación y la regulación automática de los autobuses según la planificación del servicio desde el SAE de la EMT como si de un vehículo tradicional se tratase. Es decir, el sistema integral implantado permite tanto tanto la operación en la línea de una flota mixta (combustión, híbridos) con autobuses 100% eléctricos o una línea cien por cien eléctrica.
Además, el sistema SAE calcula el tiempo de cola estimado en un punto de carga en caso de que se espere una gran demanda. También autorregula la programación para ajustarse a los tiempos de carga necesarios. A través de una Aplicación Web se monitoriza el sistema de carga en un mapa geográfico y se muestra la siguiente información: ubicación y estado de los puntos de carga (en paradas), ruta de la línea de autobús y ubicación de los autobuses, estado de carga, autonomía y previsión del tiempo de la próxima recarga de cada autobús, estado de las cargas en curso y alarmas producidas durante el proceso de carga.
La infraestructura primaria de recarga (puntos de recarga en calle) la componen la unidad de monitorización y el módulo de carga (empotrado en calzada). El proceso de recarga inductiva es automático, sin necesidad de intervención manual por parte de los conductores, activándose tan sólo con vehículos autorizados.
Dentro del subsistema embarcado cabe distinguir tres sistemas diferentes. El propio sistema de gestión de recarga de baterías del vehículo. El sistema secundario de recarga inductivo y por último el sistema SAE embarcado. Este último contiene un interfaz de comunicación CAN Bus que permite monitorizar información, en tiempo real, de órdenes de inicio/fin carga, de autonomía de las baterías, etc., y posteriormente enviarla al centro de control, a través del equipamiento SAE embarcado existente, junto con otros parámetros relacionados con la operación y regulación de flota. En el lado embarcado del SAE se presenta en tiempo real toda la información operacional que necesitan saber los conductores para la realización de los servicios con vehículos eléctricos, así como información que les asiste en la recarga de los vehículos; incluido un asistente de aparcamiento para que se estacione el autobús sobre el módulo de carga en calle asegurándose la máxima transferencia de potencia. En la consola de conductor embarcada en los autobuses se muestra información indicando, por ejemplo, la autonomía de la batería, % carga, si el proceso de recarga está en progreso, si el proceso de recarga ha finalizado o no con éxito, si se ha alineado correctamente el autobús a la estación de recarga, etc.
Con esta información y con el asistente de aparcamiento para posicionar los vehículos sobre los puntos de recarga, se ha conseguido que los conductores no perciban inconvenientes, ni tampoco una sobrecarga ni un trabajo adicional a la hora de operar diariamente los vehículos en modo eléctrico recargados por tecnología inductiva.
Como punto final, los datos generados por el sistema se han hecho disponibles en la RB del operador (portal open data) que alimenta otros servicios y aplicaciones de la EMT y pueden ser datos de entrada de aplicaciones de terceros en el marco de las ciudades inteligentes.
Los siguientes puntos describen las características estructurales y operacionales de la línea donde incorporar autobuses eléctricos, así como los principales datos del proyecto y objetivos conseguidos:
Datos de la línea: línea número 76 (de Plaza Beata a Villaverde Alto), longitud de línea de 14,02Km, 42 paradas de autobús, 17 viajes ida-vuelta al día en el servicio.
Como datos relevantes sobre el proyecto y los objetivos conseguidos cabe destacar: Transformación de 5 vehículos híbridos GNC. Instalación de 2 estaciones de recarga, una por cabecera de línea – legalización de acometidas de 100KW, 400V. Tiempos de recarga de 8 minutos por cada parada en cabecera – se obtiene casi la totalidad de recuperación de la carga consumida por trayecto. Eficiencia del proceso de recarga por inducción del 90% comparable a CC (DC). Recarga DC nocturna en cocheras. Sistema automático de recarga inductiva. Inicio del proceso de recarga con un solo click. Los conductores no tienen que bajarse del autobús para realizar la recarga ni manipular cables ni conectores (reducción de riesgos). Sistema no intrusivo, de fácil uso e integrado en el entorno urbano. Integración en el SAE existente tanto a nivel lógico como a nivel software. Regulación automática de la línea atendiendo a las necesidades de carga de los vehículos y frecuencia de servicio. Infraestructura de recarga compartible por varias líneas. Incremento de vida útil de vehículos y baterías. Reducción de trabajos y costes de mantenimiento. Operación de los vehículos (100% eléctrica) en todas las horas de servicio.
La tecnología de recarga inductiva es la parte central en la construcción de la solución pues permite la carga automática de baterías de vehículos sin intervención mecánica. Ésta se basa en el principio de la inducción electromagnética en cuanto a un transformador se refiere. El sistema inductivo de recarga se compone por consiguiente de dos partes, una parte primaria y otra secundaria, que se acoplan electromagnéticamente, como si se tratase de un transformador de corriente. La parte estacionaria primaria consta de una fuente de alimentación junto con una o varias bobinas de carga, que se instala en calle. La parte secundaria, móvil o embarcada, consta de una o varias bobinas secundarias o Pick-Up Units y rectificadores que se instalan en el lado del vehículo.
La tecnología empleada es un sistema débilmente acoplado, lo que significa que la transmisión de energía se realiza a través de un espacio de aire, y por tanto primario y secundario no están conectados mecánicamente. El sistema además se basa en el principio de recarga de oportunidad por el que, gracias a su aplicación, se aumenta la gama de vehículos operados eléctricamente (misma infraestructura para diferentes modelos y tipos de vehículos), y además, una capacidad mínima de almacenamiento de energía a bordo del vehículo es suficiente para alcanzar la siguiente estación de carga. Como se puede observar en la figura 9, aplicando este principio se tiende a optimizar el uso de pequeñas recargas durante las horas de servicio de los autobuses, de modo que al final del día los vehículos lleguen a cocheras con carga (pudiendo haber terminado el viaje hasta depósito sin problemas) y además con un nivel de carga dentro del rango óptimo de funcionamiento de la batería.
La infraestructura de carga inductiva empleada en esta solución tiene muy poco impacto visual al estar empotrada en la calzada. Además, es potencialmente reutilizable por diferentes líneas de autobuses (compartible), ya que se puede adaptar a diferentes tipos de vehículo con diferentes necesidades de carga: autobuses de 12 metros de largo, 18 metros, etc. El sistema de recarga por inducción es totalmente seguro. No hay corriente eléctrica hasta que el autobús eléctrico no está encima; además hay un sistema de control, de comunicación e identificación unívoca entre infraestructura primaria de recarga y vehículo, para que el proceso de recarga sólo se active con vehículos autorizados. Para más seguridad la corriente está bajo una losa de hormigón de más de 10 cm, por lo que está totalmente aislada, y nunca hay corriente si un vehículo autorizado no se está encima para realizar la recarga.
Por otra parte, la modificación llevada a cabo en los vehículos ha comprendido el cambio del sistema de carga original de los buses híbridos CNG – de carga CC, para mejorar su eficiencia y permitir una carga rápida. Para ello se han debido sustituir las baterías existentes de NaCl por tecnología de Litio, dando al autobús también una funcionalidad de carga dual; eso significa, carga nocturna de CC y carga inductiva diurna durante las horas de operación del servicio. Así mismo, se ha realizado desarrollo e ingeniería para integrar el nuevo sistema de gestión de baterías de acuerdo al sistema de tracción del vehículo y, para modificar la información que aparece en centralitas y consolas de los vehículos de acuerdo a su nuevo modo de operación 100% eléctrico. En relación a los dispositivos embarcados a instalar necesarios para realizar la recarga inductiva, es decir equipos del lado del vehículo de la infraestructura de recarga, se han implementado mecanismos por ejemplo para activación automática del proceso de recarga y para el adecuado posicionamiento del vehículo en pro de una máxima transferencia de potencia, etc.
En el último caso, se ha ubicado un sistema de aproximación mecánico de la bobina secundaria instalada en los bajos del vehículo a transformar, por el que se reduce la suspensió del autobús minimizando así el espacio libre entre esta bobina y la bobina primaria empotrada en la calzada, y maximizando de este modo la eficiencia de transferencia de energía y el confinamiento de los campos electromagnéticos.
Actividades en la fase de pruebas y explotación: resultados
El proyecto acaba de entrar en explotación recientemente, principios de 2018, operándose íntegramente la línea 76 con autobuses eléctricos. Al encontrarse el proyecto justo en la transición de la fase final de evaluación a operación, cabe destacar los resultados más relevantes de la evaluación final. Las actividades realizadas en la fase final de pruebas han permitido validar la consecución de los objetivos perseguidos por la entidad de transporte hacia la operación de autobuses en modo 100% eléctrico durante toda la jornada de trabajo con plena autonomía, siempre cumpliendo las exigencias y requerimientos de funcionamiento del servicio de transporte, en frecuencia de línea.
Este proceso de evaluación se ha realizado con participación activa del operador de transporte, empleando autobuses en circulación en vacío sometidos a estrés y condiciones exigentes a la hora de operación. Se vigiló además la seguridad en vehículo, y el rendimiento de éste una vez transformado (velocidad, frenada, climatización/calefacción, consumo). La fase de validación ha contemplado también la revisión y supervisión del impacto ambiental del sistema de recarga (visual, ruido, calidad aire), en consonancia con la ordenanza municipal, seguridad vial y el bienestar en el vecindario donde están instaladas las estaciones de recarga. Es decir, en todo momento las condiciones de seguridad, rendimiento, calidad, usabilidad y sostenibilidad se han tenido en consideración.
Desde el punto de vista de rendimiento del sistema, los vehículos transformados en funcionamiento 100% eléctrico igualan las prestaciones mecánicas y de operación que tenían en modo GNC-híbrido. Respecto al proceso de recarga, se obtiene casi la totalidad de recuperación de la carga consumida por trayecto (por cada recarga en cabecera en 8 min. de regulación); por ello se asegura que al final del día los vehículos lleguen a cocheras con carga (terminando el viaje hasta depósito sin problemas) y con un nivel de carga dentro del rango óptimo de funcionamiento de la batería. Desde el punto de vista de usabilidad y experiencia de usuario, se han obtenido importantes conclusiones que permiten demostrar cómo haber tenido la implicación de los usuarios finales en el diseño del sistema ha sido crucial en la ejecución del proyecto según los comentarios recibidos.
En la validación se ha tenido en cuenta también, más allá de la visión y requerimientos de la empresa municipal de transportes, la retroalimentación y aprobación por parte del colectivo que directamente interactúa con el sistema de recarga de manera directa; trabajadores, grupos sindicales e incluso por los propios conductores que han conducido en vacío los autobuses. También se recogieron opiniones en las jornadas de formación sobre el uso y explotación del sistema. Como resultados de explotación en las siguientes imágenes se muestran informes sobre funcionamiento eléctrico de la línea como información de operación de la misma.
Una nueva plataforma de movilidad para el transporte sostenible
Como una de las principales conclusiones que se podría extraer del proyecto de EMT Madrid es que, a la hora de introducir vehículos eléctricos en las flotas de transporte público, tanto las necesidades e inconvenientes como los retos son los mismos para cualquier tipo de operador de transporte municipal, con independencia del tamaño de la flota de vehículos y del tipo de municipio y/o área donde se dé servicio. Además, el introducir el vehículo eléctrico en el transporte público conlleva algo más que una mera provisión de tecnología de carga. Se debe realizar una operación del servicio eficiente en el contexto de la operativa del operador (puntualidad, calidad de servicio, etc). Por último, la movilidad a día de hoy no puede entenderse fuera del marco de la Ciudad Inteligente. A partir de esta evidencia, el sistema se podría extender también a todos aquellos operadores de transporte (urbanos, interurbanos), por pequeños que sean en modalidad Cloud, SAE como SaaS. En este escenario, además, se puede definir una nueva plataforma de transporte sostenible, como la gestión y explotación del transporte público dentro de un contexto donde la sostenibilidad (cero emisiones) y el enfoque de ciudad inteligente/EDUSI (Estrategia de Desarrollo Urbano Sostenible Integrado) se tienen en cuenta desde un principio.
Conclusiones
El sistema integral desarrollado es ya una alternativa comercial real y viable, avalada por la madurez tecnológica adquirida y la capacidad de ejecución integral. Así mismo, el sistema puede evolucionar hacia una plataforma de transporte sostenible orientada a ofrecer servicios inteligentes que promuevan el uso del transporte público en el marco de la electromovilidad y de las ciudades inteligentes, tanto en ciudades como en otros entornos urbanos. Tomando como punto de partida los servicios desarrollados para la inclusión efectiva de autobuses eléctricos mediante el principio de recarga de oportunidad por inducción, cuyo impacto directo se traduce en la reducción de emisiones de CO2, el ahorro energético o la optimización de costes operacionales y de mantenimiento entre otros, se puede evolucionar hacia una plataforma global de servicio para la explotación de flotas mixtas, eficientemente integrado en el vertical de movilidad de ciudades inteligentes y que aprovecha el máximo valor de los datos abiertos.
Referencias
- Boletín Oficial del Ayuntamiento de Madrid (BOAM) número 7.999 de 26 de Septiembre de 2017 en el que se se aprueba definitivamente el “Plan de Calidad del Aire de la Ciudad de Madrid y Cambio Climático (Plan A)
- Plan de Calidad de aire de la ciudad de Madrid y Cambio Climático (PLAN A)
- Procedimiento abierto de licitación nº expediente 16/064/3 convocado por EMT Madrid (25 de Mayo 2016)
- Una línea de EMT 100% eléctrica sí es plan (vídeo)