Владельцы электромобилей (EV) привыкли подключаться к зарядным станциям дома и на работе и заряжать свои аккумуляторы электричеством из электросети. Но когда-нибудь в ближайшее время, когда эти водители подключатся, их автомобили также будут иметь возможность реверсировать поток и отправлять электроны обратно в сеть. Согласно новой статье, опубликованной командой Массачусетского технологического института в журнале Energy Advances, по мере роста числа электромобилей аккумуляторы парка могут служить экономичным крупномасштабным источником энергии с потенциально значительным влиянием на переход к энергии.

«В масштабе «автомобиль-сеть» (V2G) может стимулировать рост возобновляемой энергии, замещая потребность в стационарных хранилищах энергии и уменьшая зависимость от надежных [всегда включенных] генераторов, таких как природный газ, которые традиционно используются для баланса ветра и энергии. солнечной прерывистости», — говорит Джим Оуэнс, ведущий автор и докторант кафедры химического машиностроения Массачусетского технологического института. В число дополнительных авторов входят Эмре Генсер, главный научный сотрудник MIT Energy Initiative (MITEI), и Ян Миллер, научный сотрудник MITEI на момент проведения исследования.

Работа группы представляет собой первый всесторонний системный анализ будущих энергетических систем, основанный на новом сочетании вычислительных моделей, объединяющих такие факторы, как цели по выбросам углерода, производство переменной возобновляемой энергии (VRE) и затраты на хранение энергии в зданиях, производство, и инфраструктура передачи.

«Мы исследовали не только то, как электромобили могут предоставлять услуги обратно в сеть — думая об этих транспортных средствах почти как накопители энергии на колесах, — но также и о ценности приложений V2G для всей энергетической системы и о том, могут ли электромобили снизить затраты на обезуглероживание энергосистемы. «, — говорит Генчер. «Результаты были неожиданными; лично я не верил, что у нас здесь такой большой потенциал».

Перемещение новой инфраструктуры

По мере того, как Соединенные Штаты и другие страны преследуют строгие цели по ограничению выбросов углерода, электрификация транспорта набирает обороты, а скорость внедрения электромобилей быстро увеличивается. (Некоторые прогнозы показывают, что электромобили вытеснят автомобили с двигателем внутреннего сгорания в течение следующих 30 лет.) Однако с ростом безэмиссионного вождения спрос на энергию будет расти. «Задача состоит в том, чтобы обеспечить достаточное количество электроэнергии для зарядки транспортных средств и обеспечить ее поступление из возобновляемых источников», — говорит Генсер.

Но солнечная и ветровая энергия непостоянна. Без надлежащего резервного копирования этих источников, таких как, например, стационарные хранилища энергии, использующие литий-ионные батареи, или крупномасштабные электростанции, работающие на природном газе или водороде, достижение целей чистой энергии окажется недостижимым. Что еще досаднее, затраты на строительство необходимой новой энергетической инфраструктуры исчисляются сотнями миллиардов.

Исследователи сообщили, что именно здесь V2G может сыграть решающую и долгожданную роль. Например, в своем тематическом исследовании теоретической энергосистемы Новой Англии, отвечающей строгим ограничениям по углероду, команда обнаружила, что участие всего 13,9% из 8 миллионов легковых (пассажирских) электромобилей в регионе вытеснило 14,7 гигаватт стационарных накопителей энергии. Это позволило сэкономить до 700 миллионов долларов — ожидаемые затраты на строительство новых хранилищ.

В их документе также описывается роль аккумуляторов для электромобилей в периоды пикового спроса, например, в жаркие летние дни. «Технология V2G позволяет подавать электроэнергию обратно в систему для покрытия этих эпизодов, поэтому нам не нужно устанавливать или инвестировать в дополнительные турбины, работающие на природном газе », — говорит Оуэнс. «То, как электромобили и V2G могут повлиять на будущее наших энергосистем, является одним из самых интересных и новых аспектов нашего исследования».

Мощность моделирования

Чтобы изучить влияние V2G на свою гипотетическую энергосистему Новой Англии, исследователи интегрировали свои модели поездок на электромобилях и услуги V2G с двумя существующими инструментами моделирования MITEI: средой моделирования анализа устойчивых энергетических систем (SESAME) для прогнозирования парка транспортных средств и роста спроса на электроэнергию. и GenX, которая моделирует инвестиционные и эксплуатационные затраты на системы производства, хранения и передачи электроэнергии. Они включали такие исходные данные, как различные уровни использования электромобилей, затраты на производство электроэнергии для традиционных и возобновляемых источников энергии, модернизацию зарядной инфраструктуры, потребность в поездках для транспортных средств, изменения в спросе на электроэнергию и стоимость аккумуляторов для электромобилей.

Их анализ выявил преимущества применения V2G в энергосистемах (с точки зрения вытеснения накопления энергии и гарантированного производства) при всех уровнях ограничений выбросов углерода, в том числе при полном отсутствии ограничений на выбросы. Тем не менее, их модели предполагают, что V2G обеспечивает наибольшую ценность для энергосистемы, когда углеродные ограничения являются наиболее жесткими — при 10 граммах углекислого газа на киловатт-час нагрузки. Общая системная экономия от V2G составила от 183 до 1326 миллионов долларов США, что отражает уровень использования электромобилей от 5 до 80 процентов.

«Наше исследование начало раскрывать неотъемлемую ценность V2G для будущей энергосистемы, демонстрируя, что мы можем сэкономить много денег, которые в противном случае были бы потрачены на хранение и устойчивое производство», — говорит Оуэнс.

Использование V2G

Для ученых, ищущих способы декарбонизации экономики, миллионы электромобилей, припаркованных в гаражах или офисных помещениях и подключенных к сети на 90 процентов своего срока службы, становятся непреодолимой провокацией. «Все это хранилище находится прямо здесь, огромная доступная емкость, которая будет только расти, и она будет потрачена впустую, если мы не воспользуемся ею в полной мере», — говорит Генсер.

Это не дальняя перспектива. Начинающие компании в настоящее время тестируют программное обеспечение, которое обеспечит двустороннюю связь между электромобилями и операторами сети или другими организациями. С правильными алгоритмами электромобили будут заряжаться и передавать энергию в сеть в соответствии с профилями, адаптированными к потребностям каждого владельца автомобиля, никогда не разряжая аккумулятор и не подвергая опасности поездку на работу.

«Мы не предполагаем, что все транспортные средства будут доступны для отправки энергии обратно в сеть в одно и то же время, например, в 18:00, когда большинство пассажиров возвращаются домой ранним вечером», — говорит Генсер. Он считает, что чрезвычайно разнообразный график работы водителей электромобилей обеспечит достаточную мощность батареи, чтобы покрыть всплески потребления электроэнергии в течение среднего 24-часового периода. Кроме того, есть и другие потенциальные источники энергии от батарей, такие как электрические школьные автобусы, которые используются только для коротких поездок в течение дня, а затем простаивают.

Команда Массачусетского технологического института признает проблемы, связанные с потребительским спросом на V2G. В то время как владельцы электромобилей наслаждаются чистым, зеленым вождением, они могут быть не в восторге от передачи доступа к аккумулятору своего автомобиля коммунальному обслуживанию или агрегатору, работающему с операторами энергосистемы. Политика и стимулы помогут.

«Поскольку вы предоставляете услуги сети, как и пользователи солнечных батарей, вам могут платить за ваше участие, и платить с надбавкой, когда цены на электроэнергию очень высоки», — говорит Генсер.

«Люди могут не захотеть участвовать «круглосуточно», но если у нас будут сценарии отключения электроэнергии, как в Техасе в прошлом году, или перегрузки на линиях электропередачи в жаркий день, возможно, мы сможем включить эти транспортные средства на 24–48 часов, посылая энергию. обратно в систему», — добавляет Оуэнс. «Если отключат электричество и люди размахивают перед вами кучей денег, возможно, вы захотите поговорить».

«В основном, я думаю, это возвращается к тому, что мы все вместе, верно?» говорит Генчер. «Поскольку вы вносите свой вклад в общество, предоставляя эту услугу сети, вы получите полную выгоду от снижения затрат на систему, а также поможете быстрее и в большей степени обезуглероживать систему».

Полезная информация

Оуэнс, работающий над диссертацией об исследованиях V2G, в настоящее время изучает потенциальное влияние мощных электромобилей на обезуглероживание энергосистемы. «Грузовики доставки последней мили таких компаний, как Amazon и FedEx, скорее всего, будут первыми, кто внедрил электромобили», — говорит Оуэн. «Они привлекательны тем, что имеют регулярные маршруты в течение дня и возвращаются в депо ночью, что делает их очень полезными для обеспечения электроэнергией и услуг балансировки в энергосистеме».

По его словам, Оуэнс стремится «предоставлять информацию, которую могут использовать системные планировщики, операторы и, в определенной степени, инвесторы». Его работа может сыграть роль в определении того, какую зарядную инфраструктуру следует построить и где.

«Наш анализ действительно своевременен, потому что рынок электромобилей еще не развит», — говорит Генчер. «Это означает, что мы можем делиться своими знаниями с производителями транспортных средств и системными операторами, потенциально побуждая их инвестировать в технологии V2G, избегая затрат на создание хранилища коммунального масштаба и обеспечивая переход к более чистому будущему. Это огромная победа для нас. »