EV nepreťažia elektrickú sieť, v skutočnosti EV (a ľad) sú jej spásou

Západ USA trpí veľkou vlnou horúčav, ktorá môže mať za následok postupné výpadky prúdu a upozornenia, aby popoludní nenabíjali elektromobily. Keďže Kalifornia tiež nariadila, aby všetky autá do roku 2035 boli elektrické, znovu sa objavil spoločný meme, o ktorom často hovoria odporcovia elektrických vozidiel, myšlienka, že elektrická sieť to v žiadnom prípade nedokáže zvládnuť.

Zároveň je pravda, že plánujeme vysoko obnoviteľnú sieť, ale kľúčové obnoviteľné zdroje, slnečná a veterná, sú prerušované, v závislosti od dennej doby a počasia.

Ukazuje sa, že tieto dva problémy sa môžu v skutočnosti trochu rušiť a v kombinácii s niektorými ďalšími technológiami to nebude žiadny problém.

Potrebujete viac energie, nie nevyhnutne viac energie

Je pravda, že na to, aby boli všetky autá elektrické, musíme vyrábať viac elektrickej energie. Kapacita siete sa dá merať ako v celkovej ročnej produkcii energie, tak aj podľa maximálneho výkonu, a to sú rôzne veci. Energia je komodita ako galóny benzínu alebo kWh. Výkon je okamžité dodanie energie, množstvo energie, ktoré dokážete dodať za sekundu.

V sieti dopyt po energii a dodávka počas dňa kolíše. V noci sú nízke, ale v teplých dňoch dopyt neustále stúpa, ako deň ubúda a je teplejšie, čo spôsobuje potrebu väčšej klimatizácie. AC je primárnou hnacou silou špičkového dopytu v sieti. Dopyt má tendenciu vrcholiť okolo 6:9, ale je stále silný asi do 4:9 a potom klesá do noci. V chladnejších časoch nie je vrchol, keď je najteplejšie, takže počas dňa bývajú dva (oveľa nižšie) vrcholy. Sieť má v každom danom čase výkonovú kapacitu. Tá sa v dôsledku obnoviteľných zdrojov energie počas dňa mení, ale kľúčovým cieľom je zabezpečiť, aby sme od XNUMX:XNUMX do XNUMX:XNUMX, keď je dopyt najvyšší, mali dostatočnú zásobovaciu kapacitu na jeho uspokojenie. Takže míňame peniaze na výrobu elektrární a prenosových vedení, aby sme túto dodávku zabezpečili.

Graf ukazuje dopyt a ponuku Kalifornie počas vlny horúčav, 3. septembra 2022. Celková ponuka bola viac ako 55 gW, takže tam bolo dosť navyše, ale počas špičky od 3:9 do 40:XNUMX je to viac ako XNUMX gW.

Po zvyšok dňa je zásoba stále k dispozícii. Všetky elektrárne môžeme zapnúť až v neskorých popoludňajších hodinách, ale zaplatili sme za ne a ak chceme, môžeme ich spustiť aj inokedy. Niektoré elektrárne, ako napríklad jadrové elektrárne, musia bežať celý deň, je ťažké ich vypnúť. Efektívnym plynovým elektrárňam trvá nejaký čas, kým sa zohrejú a vychladnú, ale môžeme ich vypnúť, keď to nie je potrebné. Vodné elektrárne je možné zapínať a vypínať podľa želania. Solárne elektrárne samozrejme vyrábajú energiu iba cez deň a najviac, keď je slnečno.

Autá sa môžu nabíjať kedykoľvek počas dňa. Priemerný americký automobil najazdí menej ako 40 míľ za deň, čo znamená, že v prípade potreby môže zvyčajne prejsť 5 dní bez nabíjania, ale určite si môže vybrať, kedy sa bude nabíjať, pokiaľ sa dá zapojiť. Väčšina sa pripája v noci, keď je v sieti najviac prebytočnej výkonovej kapacity a výkon je najlacnejší. V budúcnosti sa ich v práci zapojí viac, no pre tieto autá bude približne do 2:XNUMX prebytočná kapacita. Veľmi malý počet áut na cestách bude musieť nabíjať neskoro popoludní a budú za to platiť príplatok.

Ľudia, ktorí tomu nerozumeli, si mysleli, že je iróniou, že Kalifornia oznámila plán prejsť na úplne elektrickú energiu do roku 2035 v tom istom týždni, keď ich vlna horúčav prinútila ľuďom pripomenúť, aby nenabíjali od 4:9 do XNUMX:XNUMX. Toto bolo nesprávne nahlásené, pretože žiadali ľudí, aby sa vyhli nabíjaniu svojich áut, ale v skutočnosti je rada nenabíjať v špičke štandardne dobrou radou za každých okolností, nielen počas horúčav. Nikto v Kalifornii sa neocitol s mŕtvym autom kvôli tomuto nedostatku, pretože je to len vrchol dopytu pre silu, nie energiu, v špičkových časoch.

(Treba poznamenať, že aj napriek varovaniam, kalifornský prevádzkovateľ siete nikdy nemusel robiť prerušované výpadky prúdu. Jednoduché textové správy, v ktorých ľudia žiadali, aby znížili výkon, boli prekvapivo dobré.)

Referent:

Energia je to, čo robí užitočnú prácu, napríklad premiestňovanie áut a chladenie domov. Meria sa v jednotkách ako kilowatthodiny (kWh) alebo dokonca v galónoch benzínu. Výkon je rýchlosť tokov energie, meraná v kilowattoch alebo konských silách. Vaše auto môže potrebovať galón plynu na prejdenie 30 míľ alebo 7.5 kWh, ale na rýchlejšie to potrebuje viac konských síl. Najmä preto, že kW a kWh znejú tak podobne, ľudia si ich mýlia.

Viac energie

Na nabíjanie všetkých áut nepotrebujeme zvýšiť výkon siete, ale bude musieť produkovať viac energie. Aj keď budú všetky nové autá v roku 2035 elektrické, väčšina benzínových áut opustí cestu až o 20 rokov neskôr. Dnes Američania najazdia okolo 3 biliónov míľ ročne (pol svetelného roka!), ak by to všetko urobili v autách ako TeslaTSLA
Model 3 by potreboval o 750 terawatthodín (tWh) viac ročne. V roku 2020 USA vyrobili 4,000 20 tWh, takže ide o nárast o približne 2050 % – hoci až okolo roku XNUMX. Je to viac, pretože budú nákladné autá, ktoré spotrebujú oveľa viac energie na míľu, a iné menej efektívne autá. bude viac áut a viac šoférovania, ale to vám dáva predstavu o množstve potrebnej energie navyše. (Chceme tiež presunúť plynové kúrenie pre domácnosti a ohrev vody z fosílnych na elektrické tepelné čerpadlá, čo je iná diskusia.)

Elektrická sieť v USA už za posledných 20 rokov vzrástla v celkovom výkone energie o 30 %, takže je to určite niečo, čo sa predtým urobilo bez akéhokoľvek zvláštneho úsilia. Pretože nárast môže byť väčší, možno bude potrebné vyvinúť určité úsilie. (Možno nie, stále sa zlepšujeme v efektívnosti a mnohé naše spotrebiče a veci, ako sú naše žiarovky, využívajú zlomok energie, ktorú používali v minulosti.)

Aj keď potrebujeme o 20 % viac energie, nepotrebujeme oveľa viac energie kvôli elektromobilom. Možno budeme potrebovať viac energie na iné veci – najmä na rast populácie – alebo možno budeme potrebovať menej, keď budeme efektívnejší. Nové elektrárne ponúkajú viac energie a viac energie, hoci rôznymi spôsobmi. Ak by sme plánovali spáliť viac uhlia a plynu, v skutočnosti by sme mohli získať viac energie z existujúcich elektrární spaľovaním väčšieho množstva paliva, ale to nie je náš plán, takže budeme potrebovať viac obnoviteľných elektrární. Kvôli autám však nebudeme potrebovať viac siete.

Toto mimoriadne úsilie bude pochádzať najmä z obnoviteľných zdrojov, najmä solárnych. Nie je to zo žiadnych ekologických dôvodov. Dnes je solárna energia najlacnejším typom novej elektrárne na výstavbu. Keď sa pozriete na celkové náklady na kWh z akéhokoľvek typu zariadenia, solárna energia je víťazom – a je každým rokom lacnejšia. Ak chcete len energiu za najnižšiu cenu a môžete si vybrať, kedy ju použijete, solárna energia je jedinou elektrárňou, ktorá stavia jednoducho na cene – hoci nulové emisie sú určite pekné.

Aj keď je čistý, tichý a ľahko sa ovláda, jeho nevýhodou je, že dodáva energiu iba za slnečného počasia. V skutočnosti, ak by ste chceli generovať 24 megawatthodín za deň, mohli by ste to urobiť s 1-megawattovou bežnou elektrárňou bežiacou celý deň, ale so solárnou energiou by ste možno potrebovali 6-megawattovú elektráreň a energiu by ste dostali len cez deň, pokiaľ ste nemali aj sklad. Táto 6 megawattová solárna elektráreň by však stála menej na jednotku energie ako 1 mW plynová, uhoľná alebo jadrová elektráreň.

Aby ste tento problém vyriešili, musíte nájsť veľkú záťaž, ktorá dokáže zabezpečiť prerušovanú dodávku energie z obnoviteľnej elektrárne, keď sa jej to povie – keď svieti slnko alebo fúka vietor.

To je presne ten typ záťažových batérií, teda EV. Pokiaľ je auto zapojené, bude si brať energiu, keď je prebytok, a nie, keď je nedostatok. Len veľmi málo iných záťaží je tak flexibilných. Pre každú ďalšiu záťaž potrebujete energiu vtedy, keď ju potrebujete, ale s batériou si ju odoberiete v inom čase, ako ju používate. Ďalšou záťažou, ako je táto, je filtrovanie vody v bazéne – stačí, aby ste každý deň prefiltrovali dostatok vody, nezáleží na tom, kedy.

Kúrenie a chladenie

Najväčšou záťažou elektrickej siete a príčinou špičkového dopytu je chladenie, a keď prejdeme na vykurovanie z fosílnych palív na tepelné čerpadlá (klimatizácie naopak), stane sa aj veľkou záťažou. Kúrenie a chladenie však môže posunúť aj ich potrebu, ak použijeme prevodovku na to určenú. Je to preto, že teplo (alebo chlad) môžete skladovať v najlacnejšej „batérii“ zo všetkých – vo vode.

Novšie pokročilé klimatizácie vedia, koľko klimatizácie bude neskôr v ten deň potrebovať. Počas noci a rána chladia a zmrazujú vodu v izolovaných nádržiach s ľadom. Robia to vtedy, keď je elektriny lacná a dostatok, a keď je teplota nižšia a vyžaduje si to menej úsilia. Neskôr, keď je energia vzácna, používajú tento ľad na chladenie budov. Naše teplotné predpovede sú teraz veľmi presné, takže počítače môžu celý tento proces riadiť, aby bol rýchly a efektívny. Energia príde buď v noci (keď je dopyt nízky) alebo ráno (keď je ešte chladno a je tu veľký prebytok solárnej energie.) Solárny prebytok bude taký veľký, že všetky záťaže, ktoré sa môžu pohybovať v čase (ako batérie , chladenie a kúrenie) zaberie prebytok ráno. Obnoviteľné zdroje potrebujú sklad, ale tým úložiskom budú batérie už v autách a nádrže na ľad alebo (na ohrev) teplej vody. Budú existovať aj iné typy skladovania (prečerpávacie vodné elektrárne a batérie a iné metódy), ale budeme ich potrebovať oveľa menej, ako keby sme zostali pri našich starých klimatizáciách.

Veľkú časť problémov budúcej obnoviteľnej siete tak možno vyriešiť pomocou elektromobilov a ľadu. Upozorňujeme, že to nezahŕňa autá slúžiace ako batérie prostredníctvom technológie, ktorá sa nazýva „vozidlo do siete“. To sa dá urobiť, keď batérie získajú superdlhou životnosť, ale nedáva to zmysel, keď sa drahé autobatérie počas prevádzky opotrebujú, pokiaľ sa energia nedá predávať za veľmi vysoké spotové ceny počas preťaženia siete.

(Nasadenie zásobníkov ľadu na chladenie a vykurovanie bolo prekvapivo pomalé. Podľa Mikea Hopkinsa, bývalého generálneho riaditeľa Ice Energy, najskoršej spoločnosti vo vesmíre, ľudia, ktorí inštalujú klimatizáciu, jednoducho nie sú zvyknutí na nové veci, a dokonca aj základné vládne mandáty to nerobia dostatočne rýchlo. Domnieva sa, že zákon by mal začať vyžadovať skladovanie – nie nevyhnutne ľad – na vykurovanie a chladenie v novej výstavbe, čím sa vyrieši problém špičky.)

Problém spoločnosti Solar je v tom, že generuje energiu podľa plánu slnka, nie podľa vášho. Elektromobily potrebujú oveľa viac elektrickej energie, ale môžu ju prijať podľa slnečného plánu. Tieto dva problémy sa navzájom rušia. Keď k tomu pridáte schopnosť klimatizácií, domácich vykurovacích systémov a systémov teplej vody vyrábať a skladovať vykurovanie a chladenie a vydávať ich neskôr, je to ako keby si problémy robili jeden pre druhého. To samozrejme nevyrieši všetko — budeme potrebovať iné typy skladovania a pravdepodobne viac veterných, jadrových a geotermálnych. A ešte nejaký čas budeme využívať naše elektrárne na zemný plyn na vrcholoch. Niektorí ľudia si myslia, že budeme dokonca používať batérie v EV na predaj energie späť do siete, aby sme tomu zabránili. Vo vyššie uvedenom grafe bude žltá solárna čiara oveľa vyššia - v skutočnosti vyššia ako maximálny dopyt, ale to vytvára veľký problém o 7:XNUMX, keď slnko zapadne a zrazu musí všetok špičkový výkon pochádzať z neslnečnej energie.

Spôsob, akým sú EV záchranou siete, je ten, že nám umožňujú vybudovať množstvo lacnej, zelenej solárnej kapacity a potom nám poskytnú miesto, kde môžeme dať všetok dodatočný solárny výkon od rána do 3:XNUMX.

Budeme tiež musieť nainštalovať oveľa viac nabíjacích zástrčiek tam, kde autá parkujú od 8:3 do XNUMX:XNUMX, čo je zmes pracovísk a domácností. Zatiaľ čo noc je najvhodnejší čas, lacný prebytok solárnej energie bude ráno. Stále je potrebné veľa urobiť, ale elektrické vozidlá so svojou flexibilitou pri preberaní energie budú súčasťou riešenia, nie súčasťou problému.