Hvordan elektriske køretøjer kunne ordne nettet

Transport er den største enkeltkilde til drivhusgasemissioner i USA, der tegner sig for omkring en tredjedel af alle emissioner. Vi kunne hurtigt sænke disse emissioner ved at elektrificere køretøjer, men der er kun et problem:vi genererer ikke nok strøm i øjeblikket.

"Hvis al transport går elektrisk, fordobler vi faktisk efterspørgslen," sagde Matthias Preindl, en EV-ekspert hos Columbia Engineering. "Og nettet er ikke bygget til at modstå det."

På trods af nogle investeringer og udvidelser siden 1950'erne har det amerikanske net en for det meste aldrende flåde af generatorer og maxet transmissionsbelastninger på grund af overbelastede linjer. For at gøre tingene værre, har ekstreme vejrbegivenheder som hedebølger og naturbrande gentagne gange smeltet strømkabler.

USA ville skulle investere 125 milliarder dollars i 2030 bare for at holde trit med elbilers voksende krav om strøm, ifølge en undersøgelse fra 2020. Men hvad nu hvis elbilerne selv kunne være en del af løsningen og tilføje strøm til nettet? Columbia News talte med Preindl, en professor i elektroteknik, og Daniel Bienstock, en professor i anvendt fysik og anvendt matematik samt industriel teknik og operationsforskning.

V2G-teknologi (Vehicle-to-grid)

I 2030 vil omkring 145 millioner elbiler, busser, lastbiler og varevogne være på vejen. På en måde. I gennemsnit parkerer chauffører deres køretøjer 95 % af tiden. Med tæt på 5 milliarder dollars i føderale penge, der for nylig er afsat til at bygge et landsdækkende netværk af el-ladestationer langs mellemstatslige motorveje, kunne alle disse ledige elbiler sættes i gang via køretøj-til-net-teknologi (V2G) - en idé, som eksperter siger, kan transformere allerede overvældet elnet.

V2G-teknologi involverer at bruge tovejsopladere til at transportere ubrugt strøm fra en elbils batterier ind i det smarte net. Efterhånden som en elbil bliver opladet, konverteres nettets AC (vekselstrøm) elektricitet til batteriernes DC (jævnstrøm) - som derefter bruges til at køre køretøjet. En tovejsoplader kan konvertere DC til AC og overføre den til nettet fra elbilens lithium-ion-celler. Den kan også samtidigt styre, hvor meget strøm der kommer ind i eller ud af batteriet.

"Potentielt kan elbiler blive den største distribuerede energilagringsfacilitet, der er installeret," sagde Preindl. "Tilsammen kunne de levere mere elektrisk strøm end alle konventionelle kraftværker tilsammen."

Den ekstra elektricitet, som V2G-teknologien leverer tilbage til nettet, kan drive hjem og virksomheder i stater som Californien, der er stærkt afhængige af vedvarende energi for 24-7 adgang til elektricitet. Ofte har indsatsen for grøn energi primært fokuseret på at bruge store vind- eller solparker beliggende i fjerntliggende områder. Disse gårde kræver nye og dyre transmissionsledninger for at levere elektricitet til områder med høje energibehov.

Og vind- og solenergi kan opleve stor variabilitet i realtid, sagde Bienstock, som også er ekspert i elnetdynamik hos Columbia Engineering.

"I dag, uden stor udbredelse af vedvarende energi, behandles variabilitet i realtid ved hjælp af konventionel generation," sagde han. "Store udsving i realtid i strømstrømmene kan være udfordrende og kræver korrekt opsætning af hurtig produktion og tilstrækkelige transmissionsressourcer." At opgradere udstyr i den grad er ikke en lille bedrift, hvilket betyder, at variabilitet på grund af vedvarende energi fortsat vil være et problem. "V2G, kombineret med mere fuldt distribueret generation, er en af ​​de mest levedygtige løsninger fremad," sagde Bienstock.

Biler med V2G

Indtil videre er kun fire kommercielt tilgængelige elbiler V2G-kompatible - Nissan e-NV200, Nissan LEAF, Mitsubishi Outlander PHEV og Mitsubishi Eclipse Cross PHEV. I år lancerer Volkswagen, Ford og General Motors også gradvist elbiler, der er kompatible med tovejsopladning. Brancheeksperter forventer, at V2G-markedet vil vokse med 48 % i 2027.

Men at bygge tovejskraft ind i systemet er mere end et talspil; tekniske forhindringer står også i vejen for udbredt V2G-adoption. For eksempel kan rutinemæssig brug af V2G til genopladning og afladning af elbilers lithium-ion-batterier reducere deres levetid.

Reducerer V2G batterilevetiden

"Fra et netperspektiv er det mest nyttigt, når mange elbiler er tilsluttet over lange perioder, og når de bruger lav til medium opladningseffekt," sagde Preindl. "Det er faktisk også bedre for EV'en. Fra et teknisk synspunkt er der mange ting, V2G kan gøre for at minimere batterinedbrydning."

Ud over risikoen for, at lithium-ion-batterier bliver beskadiget, er konventionelle designs af tovejs- eller V2G-opladere også dyre. Der er to typer V2G-opladere:onboard og offboard. De fleste biler bruger ensrettede indbyggede opladere. De få V2G-opladere, der er kommet på markedet, er først kommet online i de sidste par måneder; disse tidlige designs er typisk offboard, monteret på en væg og mangler også standardisering, mens industrien indhenter teknologien.

Men forskere bliver bedre til at designe omkostningseffektive V2G indbyggede opladere. Preindls laboratorium udvikler systemer, der kan opnå 99 % effektivitet for så lidt som en cent pr. kilowatt. "Det er to til fem gange billigere med to til fem gange lavere energitab end nuværende design," sagde han.

Muligheden for V2G

Mens bilfirmaer forsøger at skalere V2G-teknologi, er der stadig lang vej igen, før det kan hjælpe med at dekarbonisere nettet. I sidste måned annoncerede omkring 15 forsyningsselskaber i 14 stater, at de vil lancere pilot-elektriske skolebus V2G-programmer, ifølge World Resources Institute.

Men på trods af forsyningsselskabers små initiativer i 2021, der beviste, hvor effektiv V2G-teknologi er til at reducere emissioner, siger politiske eksperter, at der kræves flere investeringer for at gøre teknologien tilgængelig.

"Forsyningsselskaberne skal ikke kun opgradere det elektriske net i form af nye transmissionsledninger og fysiske transformere, men også investere i smart grid-teknologi for at vurdere, på hvilke tidspunkter elektricitet skal aflades eller absorberes," siger Steven Cohen, ekspert i miljøvidenskab. og politik på Columbia's School of International and Public Affairs. "Den politiske hindring, som V2G-teknologien står over for, er dybest set mangel på penge."

"Nøglekravet ville være en finansieringsordning, hvor den føderale regering kunne finansiere det indledende udlæg," fortsatte han. "Så betaler lokale skatteydere for driften og vedligeholdelsen, når teknologien er på plads. Min forudsigelse:New York State og Californien vil være de første til at investere."