Pojazdy elektryczne nie przeciążą sieci energetycznej, w rzeczywistości pojazdy elektryczne (i lód) są jej ratunkiem

Zachodnie Stany Zjednoczone cierpią z powodu dużej fali upałów, która może skutkować ciągłymi przerwami w dostawie prądu i przypomnieniem, aby po południu nie ładować samochodów elektrycznych. Wraz z zamówieniem przez Kalifornię, aby wszystkie samochody do 2035 roku były elektryczne, pojawił się wspólny mem często wypowiadany przez przeciwników EV, pomysł, że sieć energetyczna nie może sobie z tym poradzić.

Jednocześnie prawdą jest, że planujemy wysoce odnawialną sieć, ale kluczowe źródła odnawialne, słoneczna i wiatrowa, są nieciągłe, zależne od pory dnia i pogody.

Okazuje się, że te dwa problemy mogą się w pewnym stopniu znosić, a w połączeniu z innymi technologiami nie będzie żadnego problemu.

Potrzebujesz więcej energii, niekoniecznie więcej mocy

To prawda, że ​​aby wszystkie samochody stały się elektryczne, musimy generować więcej energii elektrycznej. Wydajność sieci można mierzyć zarówno całkowitą roczną produkcją energii, jak i mocą maksymalną, a to są różne rzeczy. Energia to taki towar jak galony benzyny czy kWh. Moc to natychmiastowe dostarczenie energii, ilość energii, którą możesz dostarczyć w ciągu sekundy.

W sieci zapotrzebowanie i podaż energii zmieniają się w ciągu dnia. W nocy ich poziom jest niski, ale w ciepłe dni zapotrzebowanie rośnie wraz z upływem dnia i robi się coraz cieplej, co powoduje potrzebę większej klimatyzacji. AC jest głównym motorem szczytowego zapotrzebowania w sieci. Popyt zwykle osiąga szczyt około godziny 6:9, ale nadal jest silny do około godziny 4:9, a następnie spada do nocy. W chłodniejszych okresach nie ma szczytu, gdy jest najgorętszy, więc zwykle zdarzają się dwa (znacznie niższe) szczyty w ciągu dnia. W każdej chwili sieć ma moc. Zmienia się to w ciągu dnia ze względu na odnawialne źródła energii, ale głównym celem jest upewnienie się, że w godzinach od XNUMX:XNUMX do XNUMX:XNUMX, kiedy popyt jest najwyższy, mamy wystarczającą zdolność dostaw, aby go zaspokoić. Więc wydajemy pieniądze na budowę elektrowni i linii przesyłowych, aby zapewnić tę dostawę.

Wykres pokazuje popyt i podaż w Kalifornii podczas fali upałów 3 września 2022 r. Całkowita podaż wyniosła ponad 55 gW, więc było trochę więcej, ale w szczycie od 3:9 do 40:XNUMX przekroczyła XNUMX gW.

Przez resztę dnia zapasy są nadal dostępne. Możemy włączyć wszystkie elektrownie dopiero późnym popołudniem, ale zapłaciliśmy za nie i możemy je uruchamiać w innym czasie, jeśli chcemy. Niektóre elektrownie, jak elektrownie jądrowe, muszą działać cały dzień, trudno je wyłączyć. Wydajne instalacje gazu ziemnego potrzebują trochę czasu na rozgrzanie i schłodzenie, ale możemy je wyłączyć, gdy nie są potrzebne. Instalacje wodne można włączać i wyłączać zgodnie z potrzebami. Elektrownie słoneczne wytwarzają oczywiście energię tylko w dzień, a najwięcej wtedy, gdy jest słonecznie.

Samochody można ładować o każdej porze dnia. Przeciętny amerykański samochód przejeżdża mniej niż 40 mil dziennie, co oznacza, że ​​​​w razie potrzeby mogą przejechać 5 dni bez ładowania, ale zdecydowanie mogą wybrać, kiedy będą ładować, o ile mogą się podłączyć. Większość podłącza się w nocy, kiedy w sieci występuje największa nadwyżka mocy, a energia jest najtańsza. W przyszłości więcej będzie podłączonych do pracy, ale w przypadku tych samochodów będzie nadmiar mocy do około 2. Bardzo niewielka liczba samochodów w podróży będzie musiała ładować się późnym popołudniem i zapłacą za to dodatkową opłatę.

Ludzie, którzy tego nie rozumieli, myśleli, że to ironia, że ​​Kalifornia ogłosiła plan przejścia na całkowicie elektryczność do 2035 roku w tym samym tygodniu, gdy fala upałów kazała im przypominać ludziom, aby nie ładować od 4:9 do XNUMX:XNUMX. Zostało to błędnie zgłoszone, ponieważ proszą ludzi o unikanie ładowania samochodów, ale w rzeczywistości rada, aby nie ładować w szczycie, jest standardową dobrą radą przez cały czas, nie tylko podczas fal upałów. Nikt w Kalifornii nie znalazł się z martwym autem z powodu tego niedoboru, bo to tylko szczyt popytu na moc, a nie energię, w godzinach szczytu.

(Należy zauważyć, że pomimo ostrzeżeń operator sieci w Kalifornii nigdy nie musiał robić ciągłych przerw w dostawie prądu. Proste sms-y z prośbą o zmniejszenie mocy wypadły zaskakująco dobrze.)

Osoba polecająca:

Energia to pożyteczna praca, jak przenoszenie samochodów i chłodzenie domów. Jest mierzony w jednostkach takich jak kilowatogodziny (kWh), a nawet w galonach benzyny. Moc to szybkość przepływów energii, mierzona w kilowatach lub koniach mechanicznych. Twój samochód może potrzebować galon benzyny, aby przejechać 30 mil lub 7.5 kWh, ale potrzebuje więcej mocy, aby zrobić to szybciej. Zwłaszcza dlatego, że kW i kWh brzmią tak podobnie, ludzie są zdezorientowani.

Więcej energii

Nie musimy zwiększać mocy sieci, aby naładować wszystkie samochody, ale będzie ona musiała produkować więcej energii. Nawet jeśli wszystkie nowe samochody w 2035 roku będą elektryczne, nie minie 20 lat, zanim większość samochodów benzynowych zniknie z dróg. Dzisiaj Amerykanie przejeżdżają około 3 biliony mil rocznie (pół roku świetlnego!) Gdyby robili to wszystko w samochodach takich jak TeslaTSLA
Model 3, który potrzebowałby 750 terawatogodzin więcej (tWh) rocznie. W 2020 roku Stany Zjednoczone wyprodukowały 4,000 TWh, więc jest to wzrost o około 20% — ale dopiero w około 2050 roku. To więcej, bo będą ciężarówki zużywające znacznie więcej energii na milę i inne mniej wydajne auta, a tam będzie więcej samochodów i więcej jazdy, ale daje to ogólne pojęcie o ilości potrzebnej dodatkowej energii. (Chcemy również przenieść ogrzewanie gazowe do domów i ciepłą wodę z paliw kopalnych na elektryczne pompy ciepła, co jest inną dyskusją.)

Sieć energetyczna w USA już zwiększyła całkowitą produkcję energii o 20% w ciągu ostatnich 30 lat, więc z pewnością jest to coś, co zostało zrobione wcześniej bez żadnego specjalnego wysiłku. Ponieważ wzrost może być większy, konieczne może być podjęcie specjalnego wysiłku. (Może nie, wciąż stajemy się coraz lepsi pod względem wydajności, a wiele naszych urządzeń i rzeczy, takich jak nasze żarówki, zużywa ułamek mocy, z której korzystały w przeszłości.)

Podczas gdy potrzebujemy 20% więcej energii, nie potrzebujemy dużo więcej energii ze względu na samochody elektryczne. Możemy potrzebować więcej mocy do innych rzeczy – w szczególności wzrostu populacji – lub możemy potrzebować mniej, gdy będziemy bardziej wydajni. Nowe elektrownie oferują zarówno więcej mocy, jak i więcej energii, choć na różne sposoby. Gdybyśmy planowali po prostu spalać więcej węgla i gazu, faktycznie moglibyśmy uzyskać więcej energii z istniejących elektrowni spalając więcej paliwa, ale to nie jest nasz plan, więc będziemy potrzebować więcej elektrowni odnawialnych. Nie będziemy jednak potrzebować więcej startów ze względu na samochody.

Ten dodatkowy wysiłek będzie pochodził głównie ze źródeł odnawialnych, zwłaszcza słonecznych. To nie z jakiegokolwiek powodu środowiskowego. Obecnie energia słoneczna jest najtańszym rodzajem nowej elektrowni do budowy. Kiedy spojrzysz na całkowity koszt na kWh z dowolnego typu elektrowni, zwycięzcą jest energia słoneczna — i z roku na rok jest ona coraz tańsza. Jeśli chcesz tylko energii za najniższą cenę i możesz wybierać, kiedy jej używasz, energia słoneczna jest jedyną elektrownią, która opiera się po prostu na cenie — chociaż zerowa emisja jest z pewnością dobra.

Chociaż jest czysty, cichy i łatwy w obsłudze, jego jedynym minusem jest to, że daje moc tylko wtedy, gdy jest słonecznie. W rzeczywistości, jeśli chciałbyś generować 24 megawatogodziny dziennie, mógłbyś to zrobić ze zwykłą elektrownią o mocy 1 megawata pracującą przez cały dzień, ale z energią słoneczną możesz potrzebować elektrowni o mocy 6 megawatów, a dostaniesz tylko swoją moc. w ciągu dnia, chyba że miałeś również magazyn. Ale ta elektrownia słoneczna o mocy 6 megawatów kosztowałaby mniej na jednostkę energii niż elektrownia gazowa, węglowa lub jądrowa o mocy 1 MW.

Aby rozwiązać ten problem, musisz znaleźć duże obciążenie, które może wytrzymać przerywane dostarczanie energii z elektrowni odnawialnej, kiedy jest to powiedziane — kiedy świeci słońce lub wieje wiatr.

Dokładnie taki jest rodzaj akumulatorów, czyli pojazdów elektrycznych. Dopóki samochód jest podłączony do zasilania, pobiera prąd, gdy jest nadwyżka, a nie pobiera, gdy jest niedobór. Bardzo niewiele innych ładunków jest tak elastycznych. Do każdego innego obciążenia potrzebujesz mocy, gdy jest ona potrzebna, ale z baterią zabierasz ją w innym czasie niż jej używasz. Innym takim obciążeniem jest filtrowanie wody w basenie — wystarczy filtrować wystarczająco dużo każdego dnia, nie ma znaczenia kiedy.

Ocieplanie i ochładzanie

Największym obciążeniem sieci elektrycznej i przyczyną szczytowego zapotrzebowania jest chłodzenie, a gdy zmienimy ogrzewanie z paliw kopalnych na pompy ciepła (odwrócone klimatyzatory), stanie się ono również dużym obciążeniem. Ale ogrzewanie i chłodzenie mogą również zmienić ich potrzeby, jeśli użyjemy zaprojektowanego do tego sprzętu. To dlatego, że możesz przechowywać ciepło (lub zimno) w najtańszej „baterii” ze wszystkich — wodzie.

Nowsze, zaawansowane klimatyzatory wiedzą, ile klimatyzacji będzie potrzebne później tego dnia. W nocy i rano schładzają i zamrażają wodę w izolowanych zbiornikach z lodem. Robią to, gdy elektryczność jest tania i pod dostatkiem, a temperatura jest niższa i wymaga to mniej wysiłku. Później, gdy energia jest słaba, wykorzystują ten lód do chłodzenia budynków. Nasze prognozy temperatury są teraz bardzo dokładne, więc komputery mogą kontrolować cały proces, aby był szybki i wydajny. Energia będzie przychodziła albo w nocy (kiedy zapotrzebowanie jest niskie), albo rano (kiedy jest jeszcze chłodno i jest duża nadwyżka energii słonecznej). , chłodzenie i ogrzewanie) odbierze nadwyżkę rano. Źródła odnawialne wymagają magazynowania, ale tym magazynem będą akumulatory już w samochodach oraz zbiorniki z lodem lub (do ogrzewania) ciepłej wody. Będą też inne rodzaje przechowywania (z pompą wodną i bateriami oraz innymi metodami), ale będziemy potrzebować o wiele mniej tego, niż gdybyśmy pozostali przy naszych starych klimatyzatorach.

W związku z tym dużą część problemów przyszłej sieci odnawialnej można rozwiązać za pomocą pojazdów elektrycznych i lodu. Należy zauważyć, że nie dotyczy to samochodów służących jako akumulatory w ramach tak zwanej technologii „pojazd do sieci”. Można to zrobić, gdy akumulatory staną się bardzo trwałe, ale nie ma to sensu, gdy drogie akumulatory samochodowe zużywają się podczas pracy, chyba że energia może być sprzedawana po bardzo wysokich cenach spot podczas przeciążenia sieci.

(Wdrażanie magazynowania lodu do chłodzenia i ogrzewania jest zaskakująco powolne. Według Mike'a Hopkinsa, byłego dyrektora generalnego Ice Energy, najwcześniejszej firmy w kosmosie, ludzie, którzy instalują klimatyzację, po prostu nie są przyzwyczajeni do nowych rzeczy, a nawet podstawowych spraw rządowych. mandaty nie pozwalają na to wystarczająco szybko. Uważa, że ​​prawo powinno zacząć wymagać magazynowania — niekoniecznie lodu — do ogrzewania i chłodzenia w nowych konstrukcjach, a to rozwiąże problem zapotrzebowania szczytowego).

Problem Solar polega na tym, że generuje energię zgodnie z harmonogramem słońca, a nie twoim. Pojazdy elektryczne potrzebują dużo więcej energii elektrycznej, ale mogą ją przyjąć zgodnie z harmonogramem słońca. Te dwa problemy znoszą się nawzajem. Kiedy doda się możliwość klimatyzatorów, domowych systemów grzewczych i systemów ciepłej wody do wytwarzania i przechowywania ogrzewania i chłodzenia oraz dozowania ich później, to tak, jakby problemy były rozwiązywane dla siebie nawzajem. Oczywiście to nie rozwiąże wszystkiego — będziemy potrzebować innych rodzajów magazynów i prawdopodobnie więcej energii wiatrowej, jądrowej i geotermalnej. I jeszcze przez jakiś czas będziemy korzystać z naszych elektrowni gazowych, aby dotrzeć na szczyty. Niektórzy myślą, że użyjemy nawet akumulatorów w pojazdach elektrycznych, aby w szczytowym momencie odsprzedać energię do sieci, aby tego uniknąć. Na powyższym wykresie żółta linia słoneczna będzie znacznie wyższa – w rzeczywistości wyższa niż szczytowe zapotrzebowanie, ale to stwarza duży problem o 7:XNUMX, kiedy słońce zachodzi i nagle cała ta szczytowa moc musi pochodzić z innych źródeł niż energia słoneczna.

Sposób, w jaki pojazdy elektryczne są ratunkiem dla sieci, polega na tym, że pozwalają nam zbudować tonę taniej, zielonej energii słonecznej, a następnie dają nam miejsce na umieszczenie całej dodatkowej energii słonecznej od rana do 3:XNUMX.

Będziemy też musieli zainstalować dużo więcej wtyczek do ładowania w miejscach, gdzie samochody parkują od 8:3 do XNUMX:XNUMX, co jest mieszanką miejsc pracy i domów. O ile noc jest najdogodniejszą porą, o tyle tania nadwyżka energii słonecznej będzie rano. Jest jeszcze wiele do zrobienia, ale pojazdy elektryczne, z ich elastycznością w przejmowaniu władzy, będą częścią rozwiązania, a nie częścią problemu.