Električna vozila neće preopteretiti električnu mrežu, zapravo su električna vozila (i led) njen spas

Zapad SAD-a trpi veliki toplinski val koji bi mogao rezultirati stalnim nestankom struje i podsjetnicima da se ne pune električni automobili u poslijepodnevnim satima. Budući da je Kalifornija također naredila da svi automobili do 2035. budu električni, ovo je ponovno pojavilo uobičajeni meme koji često govore protivnici električnih vozila, ideju da električna mreža to nikako ne može podnijeti.

Istodobno je istina da planiramo visoko obnovljivu mrežu, ali ključni obnovljivi izvori energije, sunce i vjetar, su povremeni, ovisni o dobu dana i vremenu.

Ispostavilo se da se ova dva problema zapravo mogu donekle poništiti, a u kombinaciji s nekim drugim tehnologijama uopće neće biti problema.

Trebate više energije, ne nužno više snage

Istina je da da bi svi automobili postali električni, moramo proizvesti više električne energije. Kapacitet mreže može se mjeriti i ukupnom godišnjom proizvodnjom energije, ali i maksimalnom snagom, a to su različite stvari. Energija je roba poput galona benzina ili kWh. Snaga je trenutna isporuka energije, količina energije koju možete isporučiti u sekundi.

Na mreži, potražnja za električnom energijom i opskrba variraju tijekom dana. Noću su niske, ali za toplih dana potražnja raste kako dan odmiče i postaje toplije, što uzrokuje potrebu za više klima uređaja. AC je primarni pokretač vršne potražnje u mreži. Potražnja obično doseže vrhunac oko 6 sati, ali je i dalje jaka do oko 9 sat, a zatim opada u noć. U hladnijim razdobljima nema vrhunca kada je najtoplije, tako da postoje dva (mnogo niža) vrhunca u danu. U bilo kojem trenutku mreža ima energetski kapacitet. To varira tijekom dana zbog obnovljivih izvora energije, ali ključni cilj je osigurati da od 4 do 9 sat, kada je potražnja najveća, imamo dovoljno opskrbnog kapaciteta da je zadovoljimo. Dakle, trošimo novac da napravimo elektrane i dalekovode za tu opskrbu.

Grafikon prikazuje potražnju i ponudu u Kaliforniji tijekom toplinskog vala, 3. rujna 2022. Ukupna ponuda bila je veća od 55 gW, tako da je bilo prilično malo više, ali tijekom vrhunca od 3:9 do 40:XNUMX, preko XNUMX gW.

Ostatak dana zalihe su još uvijek dostupne. Sve elektrane možemo uključiti tek kasno poslijepodne, ali platili smo ih i možemo ih pokrenuti u neko drugo vrijeme ako želimo. Neka postrojenja, poput nuklearnih, moraju raditi cijeli dan, teško ih je isključiti. Učinkovitim postrojenjima za prirodni plin potrebno je neko vrijeme da se zagriju i ohlade, ali možemo ih isključiti kada nisu potrebna. Hidroelektrane se mogu paliti i gasiti po želji. Solarne elektrane naravno proizvode samo danju, a najviše kada je sunčano.

Automobili se mogu puniti u bilo koje doba dana. Prosječni automobil u SAD-u vozi manje od 40 milja dnevno, što znači da obično mogu izdržati 5 dana bez punjenja ako zatrebaju, ali definitivno mogu odabrati kada će puniti sve dok se mogu priključiti na struju. Većina se uključuje noću, kada ima najviše viška snage na mreži, a energija je najjeftinija. U budućnosti će se više priključivati ​​na posao, ali će za te automobile biti viška kapaciteta do oko 2 sati. Vrlo mali broj automobila na cestovnim putovanjima morat će puniti u kasnim poslijepodnevnim satima i za to će platiti premiju.

Ljudi koji ovo nisu razumjeli smatrali su ironijom da je Kalifornija objavila plan da do 2035. postane potpuno električna istoga tjedna kad ih je toplinski val podsjetio ljude da ne pune od 4 do 9 sat. Ovo je pogrešno prijavljeno jer su tražili od ljudi da izbjegavaju punjenje svojih automobila, ali zapravo je savjet da se ne puni na vrhuncu standardno dobar savjet u svakom trenutku, ne samo tijekom toplinskih valova. Nitko u Kaliforniji nije ostao bez automobila zbog ove nestašice, jer je to samo vrhunac potražnje za snagu, ne energiju, u vršnim vremenima.

(Treba napomenuti da usprkos upozorenjima, kalifornijski mrežni operater nikada nije morao provoditi redovita isključenja struje. Jednostavne tekstualne poruke u kojima se od ljudi traži da smanje struju bile su iznenađujuće dobre.)

Upućivač:

Energija je ono što obavlja koristan rad, poput kretanja automobila i hlađenja domova. Mjeri se u jedinicama poput kilovat-sati (kWh) ili čak u galonima benzina. Snaga je brzina protoka energije, mjerena u kilovatima ili konjskim snagama. Vašem automobilu možda treba galon goriva da prijeđe 30 milja ili 7.5 kWh, ali treba mu više konjskih snaga da to učini brže. Osobito zato što kW i kWh zvuče tako slično, ljudi ih zbunjuju.

Više energije

Ne trebamo povećati snagu mreže da napunimo sve automobile, ali morat će proizvesti više energije. Čak i ako svi novi automobili 2035. godine budu električni, većina benzinskih automobila neće proći do otprilike 20 godina nakon toga. Danas Amerikanci voze oko 3 trilijuna milja godišnje (pola svjetlosne godine!) Kad bi sve to radili u automobilima poput TesleTSLA
Model 3, koji bi trebao 750 više teravat sati (tWh) godišnje. U 2020. SAD je proizveo 4,000 tWh, što je povećanje od oko 20% — iako tek oko 2050. To je više od toga, jer će biti kamiona koji će trošiti mnogo više energije po milji, i drugih manje učinkovitih automobila, i tu bit će više automobila i više vožnje, ali to vam daje okvirnu predodžbu o količini potrebne dodatne energije. (Također želimo prebaciti plinsko grijanje za domove i toplu vodu s fosilnih na električne dizalice topline, što je druga rasprava.)

Američka elektroenergetska mreža već je povećala ukupnu proizvodnju energije za 20% u posljednjih 30 godina, tako da je to sigurno nešto što je već učinjeno bez ikakvih posebnih napora. Budući da povećanje može biti veće, potrebno je uložiti poseban napor. (Možda i ne, postajemo sve bolji u tome da budemo učinkovitiji, a mnogi naši uređaji i stvari poput naših žarulja koriste samo djelić energije koju su koristili u prošlosti.)

Iako trebamo 20% više energije, ne trebamo puno više energije zbog električnih automobila. Možda ćemo trebati više energije za druge stvari - posebice rast stanovništva - ili ćemo možda trebati manje kad postanemo učinkovitiji. Nove elektrane nude i više snage i više energije, iako na različite načine. Da planiramo samo sagorijevati više ugljena i plina, zapravo bismo mogli dobiti više energije iz postojećih postrojenja sagorijevanjem više goriva, ali to nije naš plan pa će nam trebati više obnovljivih postrojenja. Ipak, nećemo trebati više mreže zbog automobila.

Ovaj dodatni napor dolazit će uglavnom iz obnovljivih izvora energije, posebno solarne. To nije iz ekoloških razloga. Danas je solarna energija najjeftiniji tip nove elektrane za izgradnju. Kada pogledate ukupnu cijenu po kWh iz bilo koje vrste postrojenja, solarna energija je pobjednik — i svake je godine sve jeftinija. Ako samo želite energiju po najnižoj cijeni i možete birati kada ćete je koristiti, solarna je elektrana jedina koja se gradi samo na cijeni — iako je nulta emisija svakako dobra.

Iako je čist, tih i jednostavan za rukovanje, njegova jedina mana je da daje snagu samo kada je sunčano. Zapravo, ako želite generirati 24 megavat-sata dnevno, mogli biste to učiniti s običnom elektranom od 1 megavata koja radi cijeli dan, ali sa solarnom elektranom možda ćete trebati elektranu od 6 megavata, a energiju biste dobili samo tijekom dana, osim ako niste imali i spremište. Ali ta solarna elektrana od 6 megavata koštala bi manje po jedinici energije od 1 mW plinske, ugljene ili nuklearne elektrane.

Da biste riješili taj problem, trebate pronaći veliko opterećenje koje može preuzeti povremenu isporuku energije elektrane na obnovljive izvore energije kada mu se kaže - kada sunce sja ili puše vjetar.

To je točno takva vrsta baterija za opterećenje, što će reći EVs. Sve dok je auto priključen na struju, uzimat će struju kad ima viška, a neće je uzimati kad je manjak. Vrlo malo drugih opterećenja je tako fleksibilno. Za svako drugo opterećenje potrebna vam je energija kada vam je potrebna, ali s baterijom je uzimate u različito vrijeme nego što je koristite. Još jedno takvo opterećenje je filtriranje vode u bazenu — samo trebate filtrirati dovoljno svaki dan, nije važno kada.

Grijanje i hlađenje

Najveće opterećenje električne mreže i uzrok vršne potrošnje je hlađenje, a kako grijanje s fosilnih goriva prebacujemo na dizalice topline (obrnuto klima uređaji) i to će postati veliko opterećenje. Ali grijanje i hlađenje također mogu pomaknuti njihove potrebe, ako koristimo opremu namijenjenu za to. To je zato što toplinu (ili hladnoću) možete pohraniti u najjeftiniju “bateriju” od svih — vodu.

Noviji napredni klima uređaji znaju koliko će klima uređaja biti potrebno kasnije tog dana. Tijekom noći i jutra hlade i zamrzavaju vodu u izoliranim spremnicima leda. To rade kada je struje jeftino i ima u izobilju, te kada je temperatura niža i potrebno je manje truda. Kasnije, kad nestane struje, koriste taj led za hlađenje zgrada. Naše prognoze temperature sada su vrlo precizne tako da računala mogu kontrolirati cijeli ovaj proces kako bi bio brz i učinkovit. Energija će dolaziti ili noću (kada je potražnja niska) ili ujutro (kada je još svježe i postoji veliki višak solarne energije). Solarni višak bit će toliko velik da će sva opterećenja koja se mogu kretati u vremenu (poput baterija) , hlađenje i grijanje) će uzeti višak ujutro. Obnovljive energije trebaju skladište, ali to skladište će biti baterije koje su već u automobilima i spremnici leda ili (za grijanje) tople vode. Postojat će i druge vrste skladišta (pumpana hidroelektrana i baterije i druge metode), ali trebat će nam puno manje toga nego što bismo trebali ako se držimo naših starih klima uređaja.

Kao takav, velik dio problema buduće obnovljive mreže može se riješiti električnim vozilima i ledom. Imajte na umu da to ne uključuje automobile koji služe kao baterije kroz takozvanu tehnologiju "vozilo na mrežu". To se može učiniti kada baterije postanu super dugotrajne, ali nema smisla kada se skupe automobilske baterije potroše tijekom rada, osim ako se energija može prodati po vrlo visokim cijenama na licu mjesta tijekom preopterećenja mreže.

(Skladištenje leda za hlađenje i grijanje iznenađujuće se sporo postavlja. Prema Mikeu Hopkinsu, bivšem izvršnom direktoru tvrtke Ice Energy, prve tvrtke u svemiru, ljudi koji ugrađuju klima-uređaje jednostavno nisu navikli na nove stvari, pa čak ni na osnovne mandati to ne čine dovoljno brzo. Vjeruje da bi zakon trebao početi zahtijevati skladištenje — ne nužno led — za grijanje i hlađenje u novogradnji, a to će riješiti problem vršne potražnje.)

Solarov problem je što proizvodi energiju prema Sunčevom rasporedu, a ne prema vašem. Električna vozila trebaju puno više električne energije, ali je mogu prihvatiti prema rasporedu sunca. Ta dva problema djeluju tako da se međusobno poništavaju. Kada dodate sposobnost klima uređaja, sustava kućnog grijanja i sustava tople vode da stvaraju i pohranjuju grijanje i hlađenje te da to kasnije ispuštaju, kao da su problemi stvoreni jedan za drugoga. Naravno, ovo ne rješava sve — trebat će nam druge vrste skladišta, a vjerojatno i više vjetra, nuklearne i geotermalne energije. I još ćemo neko vrijeme koristiti naša postrojenja za prirodni plin na najvišim vrhovima. Neki ljudi misle da ćemo čak koristiti baterije u električnim vozilima za prodaju energije natrag u mrežu na vrhuncu kako bismo to izbjegli. Na gornjem grafikonu, žuta solarna linija postat će mnogo viša - zapravo viša od vršne potražnje, ali to stvara veliki problem u 7 sati kada sunce zađe i odjednom sva ta vršna snaga mora doći iz nesolarnih izvora.

Način na koji su električna vozila spas mreže jest da nam dopuštaju da izgradimo tonu jeftinih, zelenih solarnih kapaciteta i onda nam daju mjesto na koje možemo staviti svu dodatnu solarnu snagu od jutra do 3 sati.

Također ćemo morati instalirati puno više utičnica za punjenje na mjestima gdje se automobili parkiraju od 8 do 3 sati, što je kombinacija radnih mjesta i domova. Dok je noć najprikladnije vrijeme, jeftini višak solarne energije bit će ujutro. Ima još mnogo toga za učiniti, ali električna vozila, sa svojom fleksibilnošću u preuzimanju moći, bit će dio rješenja, a ne dio problema.