Como uma estação de ônibus reduziu os custos de pico de carga em 28% com uma pilha de carga flexível CC de 240–720 kW

Histórico do cliente

Uma operadora de transporte municipal na região do Reno-Ruhr administra uma frota de 42 ônibus elétricos a bateria e cobre cerca de 120 mil quilômetros de serviço regular todos os meses. A frota é baseada em um único depósito construído em 2019, onde 30 carregadores fixos de 120 kW DC foram instalados para suportar carregamento noturno e de oportunidade.

Atribuição principal da operadora: manter os ônibus na estrada por um mínimo de 16 horas por dia, incluindo os períodos de pico da manhã e da tarde. Isso significava que as janelas de carregamento entre os blocos de serviço duravam apenas 45 minutos. A configuração existente do carregador fixo estava a revelar-se demasiado rígida para estas restrições operacionais.

O desafio: energia fixa, taxas fixas e carregadores inativos

Cada carregador fixo de 120 kW foi atribuído a um único barramento. Quando os ônibus voltavam em ondas após o serviço matinal e noturno, muitos carregadores ficavam parados enquanto uma fila se formava nos ativos. Um ônibus com carga de 40% ainda precisava de 1,5 horas com um carregador de 120 kW – tempo demais para uma escala de 45 minutos.

Como a conexão à rede do depósito estava limitada a 600 kW de carga simultânea, trazer mais energia para o pátio exigiria um novo transformador e um longo processo de licença, com um custo estimado de US$ 180.000. Nesse ínterim, a operadora tentou duas soluções alternativas:

• Programar manualmente os ônibus para evitar a competição por energia, o que atrasava os horários de partida e reduzia o desempenho pontual.
• Programar os carregadores existentes para limitar a produção durante os picos de demanda, mas isso apenas estendeu os tempos de carga e deixou os ônibus com carga insuficiente para o próximo bloco.

A consequência direta foi uma pilha crescente de atritos operacionais: filas, partidas perdidas e cobranças mensais de demanda que atingiram consistentemente US$ 24 mil. A equipe precisava de uma arquitetura de carregamento que pudesse adaptar a alocação de energia em tempo real para onde fosse necessária, e não um conjunto de saídas fixas.

Por que a pilha de carregamento flexível de 240–720 kW DC

A operadora avaliou duas alternativas antes de optar pela pilha de carregamento flexível DC Soutya de 240–720 kW.

A primeira alternativa foi adicionar um segundo transformador e implantar mais carregadores fixos de 120 kW. Essa abordagem eliminaria as filas, mas ainda deixaria muitos carregadores ociosos durante o meio do dia, e a atualização da rede por si só consumiria todo o orçamento anual de energia.

A segunda alternativa era um carregador central de alta potência com uma matriz de comutação mecânica que pudesse conectar um barramento por vez. Resolveu o problema de compartilhamento de energia, mas criou um novo gargalo: uma única interrupção no sistema de comutação paralisaria todo o depósito.

A pilha de carregamento flexível Soutya se destacou por três motivos:

• Alocação dinâmica de energia:Uma única unidade de 600 kW pode dividir sua produção entre seis a oito pontos de carregamento, fornecendo a cada barramento apenas a energia necessária no momento. A alocação é atualizada em tempo real sem intervenção manual.
• Escalabilidade modular:A pilha é construída a partir de módulos de potência intercambiáveis. Se a frota crescer, o operador poderá adicionar módulos sem substituir toda a unidade.
• Nenhuma atualização de rede necessária:Como a pilha pode impor uma carga total máxima configurável, ela se ajusta à conexão de rede existente de 600 kW, evitando o projeto de transformador de US$ 180.000.

Implementação: implantação em fases e gerenciamento de carga dinâmica

O projeto foi concluído em seis semanas, desde a assinatura do contrato até a plena operação. A implementação teve quatro etapas:

1. Site Survey e mapeamento de layout.A equipe mapeou posições de estacionamento de ônibus, rotas de cabos e a capacidade existente do quadro de distribuição para determinar o número ideal de pontos de carregamento por pilha.
2. Instalação de quatro estacas de 600 kW,cada um configurado com oito conectores para um total de 32 pontos de carregamento. As estacas foram colocadas entre as filas de estacionamento para minimizar comprimentos e perdas de cabos.
3. Integração com o sistema de gerenciamento de depósito.A alocação de energia da pilha foi vinculada ao banco de dados de programação de veículos para que os ônibus com horários de partida mais cedo recebessem energia prioritária.
4. Treinamento de pessoal.Os operadores de carregamento foram treinados na leitura dos gráficos de alocação de energia e no que fazer no caso raro de erro de conexão.

Um desafio importante surgiu durante a segunda semana. A sala elétrica existente do depósito não poderia acomodar a proteção extra contra surtos e os equipamentos de medição necessários para as novas estacas sem uma pequena reconfiguração. O problema foi resolvido com a instalação de um quadro de subdistribuição compacto e a transferência das cargas elétricas de reserva para uma fase diferente – uma pequena obra civil que acrescentou quatro dias ao cronograma.

Resultados quantificáveis: entregas mais rápidas, taxas de demanda mais baixas, menos filas

Os dados operacionais dos primeiros três meses de funcionamento das pilhas de carregamento flexíveis Soutya mostraram melhorias mensuráveis ​​em todos os aspectos.

• O tempo de carregamento por ônibus caiu 38%.A média de uma bateria de 200 kWh caiu de 4,5 horas para 2,2 horas, porque a pilha conseguia concentrar 240 kW em um único ônibus quando o estacionamento estava meio vazio.
• As tarifas de pico de demanda diminuíram 28%,de $ 24.000 a $ 17.300 por mês. O algoritmo de limitação de carga da pilha manteve o consumo total da estação abaixo do limite de 600 kW, mesmo quando 20 ônibus estavam carregando simultaneamente.
• A utilização de carregamento aumentou de 47% para 78%.Como a energia é roteada de forma flexível, um ônibus que chega às 14h pode carregar com potência máxima enquanto um ônibus programado para partir às 18h aguarda sua vez.
• A atualização da rede de US$ 180.000 foi evitada.O custo do projeto, incluindo as quatro estacas e a instalação, chegou a aproximadamente US$ 96.000, o que significa que o período de retorno do investimento foi superior a um ano, com base apenas nas economias de cobrança de demanda.

O impacto mais amplo foi visível no cumprimento dos horários: o número de ônibus que saem da garagem com carga inferior a 90% caiu de 12 para 2 por semana, e a taxa de saída pontual da frota melhorou de 92% para 98%.

Depoimento do cliente

O gerente de operações do depósito colocou isso em termos simples:

"A pilha flexível não proporciona uma carga mais rápida; ela nos devolve o controle sobre nossa programação. Não preciso mais decidir qual ônibus será carregado primeiro. A energia vai para onde é necessária e isso mudou a forma como todos os nossos planos de turno."

Outro supervisor de manutenção acrescentou: “O design modular significa que podemos aumentar a capacidade sem destruir a instalação existente. Isso não era possível com as nossas antigas unidades fixas”.

Lições para outros operadores de frota e carregamento

Três lições replicáveis ​​emergiram deste projeto:

1. Combine a configuração da pilha com os horários reais do barramento, não com a potência máxima.A garagem considerou um modelo de 720 kW, mas as unidades de 600 kW com 32 tomadas se adaptam melhor ao rodízio do ônibus e custam menos. Compreender a sobreposição de pico dos tempos de devolução é mais valioso do que comprar a maior unidade possível.
2. Use o algoritmo de alocação de energia desde o primeiro dia.O padrão de fábrica é definido para um cenário genérico. O desempenho do depósito melhorou somente depois que as prioridades de alocação foram configuradas para corresponder aos horários de partida e ao estado de carga da bateria.
3. Planeje o crescimento da frota escolhendo uma unidade modular.Se o operador adicionar mais 10 barramentos, poderá inserir módulos de potência adicionais nas pilhas existentes. Um carregador fixo exigiria uma instalação totalmente nova e outra conexão à rede.

A maior surpresa para a equipe foi como a mudança no comportamento de cobrança afetou suas operações gerais. A mudança de um modelo de energia fixa para um modelo orientado pela demanda economizou dinheiro, melhorou o desempenho no prazo e eliminou uma fonte diária de estresse da equipe.

Referências

Para os operadores que avaliam pilhas de carregamento flexíveis DC, os seguintes padrões da indústria fornecem um contexto útil sobre segurança e desempenho:

• EN 50620:2017 – Cabos elétricos para carregamento de veículos elétricos, definindo flexibilidade de cabos, resistência às intempéries e requisitos de tensão para sistemas CC de 0,6/1 kV.
• Série IEC 62196 – Plugues, tomadas e conectores de veículos para carregamento condutivo de veículos elétricos, cobrindo requisitos de interface CA e CC (incluindo CCS e CHAdeMO).
• UL 1699B – Proteção de circuito de falha de arco CC fotovoltaico (PV), uma referência para métodos de detecção de falha de arco CC usados ​​em sistemas de carregamento CC de alta potência.