Elbiler vil ikke overbelaste elnettet, faktisk er elbiler (og is) dens redning

Vesten i USA lider under en stor hedebølge, som kan resultere i rullende strømafbrydelser og påmindelser om ikke at oplade elbiler om eftermiddagen. Da Californien også beordrede, at alle biler inden 2035 skal være elektriske, har dette genopstået et fælles meme, der ofte tales af EV-modstandere, ideen om, at elnettet umuligt kan håndtere dette.

Samtidig er det rigtigt, at vi planlægger et meget vedvarende net, men de vigtigste vedvarende energikilder, sol og vind, er intermitterende, afhængigt af tidspunktet på dagen og vejret.

Det viser sig, at disse to problemer faktisk i nogen grad kan ophæve hinanden, og kombineret med nogle andre teknologier vil der slet ikke være et problem.

Brug for mere energi, ikke nødvendigvis mere strøm

Det er rigtigt, at for at alle biler kan blive elektriske, er vi nødt til at generere mere elektrisk energi. Netkapaciteten kan måles både i den samlede årlige energiproduktion, og også ved maksimal effekt, og det er forskellige ting. Energi er en vare som liter benzin eller kWh. Strøm er den øjeblikkelige levering af energi, den mængde energi, du kan levere på et sekund.

På nettet svinger efterspørgsel og udbud af strøm i løbet af dagen. De er lave om natten, men på varme dage bliver efterspørgslen ved med at stige, efterhånden som dagen går på, og det bliver varmere, hvilket medfører behov for mere aircondition. AC er den primære drivkraft for spidsbelastning på nettet. Efterspørgslen har en tendens til at toppe omkring kl. På køligere tider er der ingen top, når det er varmest, så der plejer at være to (meget lavere) toppe i løbet af dagen. På ethvert givet tidspunkt har nettet en strømkapacitet. Det svinger i løbet af dagen på grund af vedvarende energi, men hovedmålet er at sikre, at vi fra kl. 6 til 9, når efterspørgslen er størst, har forsyningskapacitet nok til at opfylde den. Så vi bruger penge på at lave kraftværker og transmissionsledninger til at levere den forsyning.

Diagrammet viser Californiens efterspørgsel og udbud under hedebølgen, den 3. september 2022. Det samlede udbud var over 55gW, så der var en del ekstra, men under spidsbelastningen fra kl. 3 til 9 er det over 40gW.

Resten af ​​dagen er forsyningen stadig tilgængelig. Vi tænder måske først for alle kraftværker sidst på eftermiddagen, men vi har betalt for dem og kan køre dem på andre tidspunkter, hvis vi vil. Nogle anlæg, som kernekraftværker, skal køre hele dagen, de er svære at slukke. Effektive naturgasanlæg tager lidt tid at varme op og køle ned, men vi kan slukke for dem, når de ikke er nødvendige. Hydroanlæg kan tændes og slukkes efter ønske. Solcelleanlæg producerer selvfølgelig kun strøm om dagen, og mest når det er solskin.

Biler kan lade op når som helst på dagen. Den gennemsnitlige amerikanske bil kører mindre end 40 miles om dagen, hvilket betyder, at de normalt kan køre 5 dage uden opladning, hvis de har brug for det, men de kan helt sikkert vælge, hvornår de vil lade op, så længe de kan tilslutte. De fleste tilsluttes om natten, når der er mest overskudskapacitet på nettet, og strøm er billigst. I fremtiden vil flere tilslutte på arbejde, men der vil være overkapacitet indtil omkring klokken 2 for de biler. Et meget lille antal biler på vejture skal oplades sidst på eftermiddagen, og de vil betale en præmie for det.

Folk, der ikke forstod dette, mente, at det var ironisk, at Californien annoncerede planen om at være helt elektrisk i 2035 samme uge, som en hedebølge fik dem til at minde folk om ikke at lade op fra 4:9 til XNUMX:XNUMX. Dette blev fejlrapporteret, da de bad folk om at undgå at oplade deres biler, men faktisk er rådet om ikke at lade op ved spidsbelastning et standard godt råd til enhver tid, ikke kun i hedebølger. Ingen i Californien befandt sig med en død bil på grund af denne mangel, fordi det kun er en efterspørgselstop for strøm, ikke energi, i spidsbelastningstiderne.

(Det skal bemærkes, at på trods af advarsler behøvede den californiske netoperatør aldrig at udføre rullende strømafbrydelser. Simple tekstbeskeder, der beder folk om at reducere strømmen, gjorde det overraskende godt.)

En referent:

Energi er det, der gør nyttigt arbejde, som at flytte biler og køle hjem. Det måles i enheder som kilowatt-timer (kWh) eller endda i gallons benzin. Effekt er den hastighed, der strømmer energi, målt i kilowatt eller hestekræfter. Din bil har måske brug for en gallon gas for at køre 30 miles, eller en 7.5 kWh, men den har brug for flere hestekræfter for at gøre det hurtigere. Især fordi kW og kWh lyder så ens, bliver folk forvirrede.

Mere energi

Vi behøver ikke øge elnettet for at oplade alle bilerne, men det bliver nødt til at producere mere energi. Selvom alle nye biler i 2035 er elektriske, vil der først gå omkring 20 år efter det, før de fleste benzinbiler forlader vejen. I dag kører amerikanerne omkring 3 billioner miles om året (et halvt lysår!), hvis de gjorde alt det i biler som TeslaenTSLA
Model 3, der ville have brug for 750 flere terawatttimer (tWh) om året. I 2020 producerede USA 4,000 tWh, så det er en stigning på omkring 20 % - dog først omkring 2050. Det er mere end det, for der vil være lastbiler, der bruger meget mere energi pr. mile, og andre mindre effektive biler, og der vil være flere biler og mere kørsel, men dette giver dig en bagside-af-kuvert idé om mængden af ​​ekstra energi, der skal til. (Vi vil også flytte gasvarme til boliger og varmt vand fra fossile til elektriske varmepumper, hvilket er en anden diskussion.)

Det amerikanske elnet er allerede steget i den samlede energiproduktion med 20% i de sidste 30 år, så dette er bestemt noget, der er blevet gjort før uden nogen særlig indsats. Fordi stigningen kan være større, kan det være nødvendigt at gøre en særlig indsats. (Måske ikke, vi bliver ved med at blive bedre til at være mere effektive, og mange af vores apparater og ting som vores pærer bruger en brøkdel af den strøm, de brugte tidligere.)

Selvom vi har brug for 20 % mere energi, har vi ikke brug for meget mere strøm på grund af elbilerne. Vi kan have brug for mere strøm til andre ting - især befolkningstilvækst - eller vi kan have brug for mindre, når vi bliver mere effektive. Nye kraftværker tilbyder både mere strøm og mere energi, dog på forskellige måder. Hvis vi planlagde bare at brænde mere kul og gas af, kunne vi faktisk få mere energi fra de eksisterende anlæg ved at forbrænde mere brændstof, men det er ikke vores plan, så vi får brug for flere vedvarende anlæg. Vi får dog ikke brug for mere net på grund af bilerne.

Denne ekstra indsats kommer for det meste fra vedvarende energi, især solenergi. Det er ikke af nogen miljømæssig årsag. I dag er solenergi den billigste type nyt kraftværk at bygge. Når du ser på de samlede omkostninger pr. kWh fra enhver type anlæg, er solenergi vinderen - og det bliver billigere for hvert år. Hvis du bare vil have energi til den laveste pris, og du kan vælge og vrage, hvornår du bruger den, er solcelleanlægget det eneste anlæg, der blot bygger på prisen - selvom nul-emissionerne bestemt er pæne.

Selvom den er ren og støjsvag og nem at betjene, er dens ene ulempe, at den kun giver strøm, når det er solskin. Faktisk, hvis du ville generere 24 megawatt-timer om dagen, kunne du gøre det med et 1-megawatt almindeligt anlæg, der kører hele dagen, men med solenergi har du måske brug for et 6-megawatt-anlæg, og du ville kun få din strøm ind. dagtimerne, medmindre du også havde lager. Men det 6 megawatt solcelleanlæg ville koste mindre pr. energienhed end 1 mW gas-, kul- eller atomkraftværket.

For at løse det problem skal du finde en stor belastning, der kan tage den intermitterende strømforsyning fra et vedvarende anlæg, når det bliver bedt om det - når solen skinner eller vinden blæser.

Det er præcis den type belastningsbatterier, det vil sige elbiler, er. Så længe en bil er tilsluttet, vil den tage strøm, når der er overskud, og ikke tage den, når der er mangel. Meget få andre belastninger er så fleksible. For hver anden belastning skal du bruge strømmen, når du har brug for den, men med et batteri tager du den på et andet tidspunkt, end du bruger den. En anden belastning som denne er filtrering af swimmingpoolvand - du skal bare filtrere nok hver dag, det er lige meget hvornår.

Opvarmning og afkøling

Den største belastning på elnettet, og årsagen til spidsbelastningen, er køling, og i takt med at vi skifter opvarmning fra fossilt brændstof til varmepumper (klimaanlæg i omvendt rækkefølge) vil det også blive en stor belastning. Men opvarmning og køling kan også flytte deres behov, hvis vi bruger gear designet til det. Det er fordi du kan opbevare varme (eller kulde) i det billigste "batteri" af alle - vand.

Nyere avancerede klimaanlæg ved, hvor meget aircondition, der vil være behov for senere samme dag. I løbet af natten og morgenen afkøler de og fryser vand ned i isolerede tanke med is. Det gør de, når strømmen er billig og rigelig, og når temperaturen er lavere, og det kræver mindre indsats. Senere, når strømmen er knap, bruger de den is til at køle bygninger. Vores temperaturprognoser er nu meget nøjagtige, så computere kan styre hele denne proces for at gøre den hurtig og effektiv. Strøm vil enten komme om natten (når efterspørgslen er lav) eller om morgenen (når det stadig er køligt, og der er et stort overskud af solenergi). Soloverskuddet vil være så stort, at alle de belastninger, der kan bevæge sig i tide (som batterier). , køling og opvarmning) vil tage overskuddet om morgenen. Vedvarende energi har brug for opbevaring, men det lager vil være de batterier, der allerede er i bilerne, og tankene med is eller (til opvarmning af) varmt vand. Der vil også være andre typer opbevaring (pumpet vandkraft og batterier og andre metoder), men vi får brug for meget mindre af det, end vi ville have, hvis vi holder os til vores gamle klimaanlæg.

Som sådan kan en stor del af problemerne med et fremtidigt vedvarende net løses med elbiler og is. Bemærk, at dette ikke involverer, at bilerne fungerer som batterier gennem det, der kaldes "vehicle to grid" teknologi. Det kan gøres, når batterierne bliver super-langtidsholdbare, men det giver ikke mening, når dyre bilbatterier bliver brugt op, mens de fungerer, medmindre strøm kan sælges til meget høje spotpriser under overbelastning af nettet.

(Islager til køling og opvarmning har været overraskende langsom at blive implementeret. Ifølge Mike Hopkins, tidligere administrerende direktør for Ice Energy, det tidligste firma i rummet, er folk, der installerer aircondition, bare ikke vant til nye ting, og endda grundlæggende regering mandater får det ikke til at ske hurtigt nok. Han mener, at loven bør begynde at kræve opbevaring - ikke nødvendigvis is - til opvarmning og køling i nybyggeri, og det vil løse problemet med spidsbelastningen.)

Solars problem er, at den genererer strøm efter solens tidsplan, ikke din. Elbiler har brug for meget mere elektrisk energi, men kan acceptere det på solens tidsplan. De to problemer arbejder på at ophæve hinanden. Når du tilføjer muligheden for klimaanlæg, boligvarmesystemer og varmtvandssystemer til at lave og opbevare varme og køling og afgive det senere, er det som om problemerne blev skabt for hinanden. Det løser selvfølgelig ikke alt - vi får brug for andre typer lagring og sandsynligvis mere vind, atomkraft og geotermisk energi. Og vi vil stadig bruge vores naturgasanlæg i nogen tid endnu på de øverste tinder. Nogle mennesker tror, ​​at vi endda vil bruge batterierne i elbiler til at sælge strøm tilbage til nettet på toppen for at undgå det. I skemaet ovenfor vil den gule sollinje blive meget højere - faktisk højere end peak-efterspørgslen, men det skaber et stort problem klokken 7, når solen går ned, og pludselig skal al den spidseffekt komme fra ikke-solenergi.

Den måde, hvorpå elbiler er nettets redning, er, at de lader os bygge et væld af billig, grøn solenergikapacitet og så giver os et sted, hvor vi kan sætte al den ekstra solenergi fra morgen til kl.

Vi skal også installere mange flere ladestik, hvor biler parkerer fra 8 til 3, hvilket er en blanding af arbejdspladser og hjem. Selvom natten er det mest bekvemme tidspunkt, vil det billige solenergioverskud være om morgenen. Der er stadig meget at gøre, men elbiler, med deres fleksibilitet til at tage magten, vil være en del af løsningen, ikke en del af problemet.