EV neće preopteretiti električnu mrežu, u stvari su EV (i led) njen spas

Zapad SAD pati od velikog toplotnog talasa koji bi mogao da dovede do neprestanih nestanaka struje i podsetnika da se električni automobili ne pune popodne. S obzirom da je Kalifornija također naredila da svi automobili do 2035. budu električni, ovo je ponovo pojavilo uobičajeni mem koji često govore protivnici električnih vozila, ideju da električna mreža nikako ne može podnijeti ovo.

Istovremeno je tačno da planiramo visoko obnovljivu mrežu, ali ključni obnovljivi izvori energije, solarni i vjetar, su povremeni, zavisni od doba dana i vremenskih prilika.

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

Potrebno je više energije, ne nužno više snage

Istina je da da bi svi automobili bili električni, moramo proizvesti više električne energije. Kapacitet mreže se može mjeriti kako u ukupnoj godišnjoj proizvodnji energije, tako i po maksimalnoj snazi, 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 i snabdevanje električnom energijom variraju tokom dana. Noću su niske, ali tokom toplih dana potražnja se stalno povećava kako dan odmiče i postaje toplije, što uzrokuje potrebu za dodatnom klimatizacijom. AC je primarni pokretač vršne potražnje na mreži. Potražnja ima tendenciju vrhunca oko 6 sati, ali je i dalje jaka do oko 9 sat, a zatim opada u noć. U hladnijim vremenima nema vrhunca kada je najtoplije, tako da obično postoje dva (mnogo niža) vrhunca u danu. U svakom trenutku mreža ima kapacitet napajanja. To varira tokom dana zbog obnovljivih izvora energije, ali ključni cilj je osigurati da od 4 do 9 sat, kada je potražnja najveća, imamo dovoljno kapaciteta da je zadovoljimo. Tako da trošimo novac da napravimo elektrane i dalekovode da obezbijedimo to snabdevanje.

Grafikon prikazuje potražnju i ponudu Kalifornije tokom toplotnog talasa, 3. septembra 2022. Ukupna ponuda je bila preko 55 gW, tako da je bilo dosta više, ali tokom vrhunca od 3 do 9 sat, to je preko 40 gW.

Ostatak dana, zaliha je još uvijek dostupna. Možemo uključiti sve elektrane tek kasno poslijepodne, ali smo ih platili i možemo ih pokrenuti u drugo vrijeme ako želimo. Neke elektrane, poput nuklearnih, moraju raditi cijeli dan, teško ih je isključiti. Efikasnim postrojenjima prirodnog gasa potrebno je neko vreme da se zagreju i ohlade, ali možemo ih isključiti kada nisu potrebni. Hidroelektrane se mogu uključiti i isključiti po želji. Naravno, solarne elektrane proizvode energiju samo danju, a najviše kada je sunčano.

Automobili se mogu puniti u bilo koje doba dana. Prosječan američki automobil vozi manje od 40 milja dnevno, što znači da obično mogu izdržati 5 dana bez punjenja ako je potrebno, ali definitivno mogu odabrati kada će puniti sve dok mogu uključiti. Većina se uključuje noću, kada je u mreži najviše viška snage, a snaga je najjeftinija. U budućnosti će se više priključiti na posao, ali će za te automobile biti viška kapaciteta do oko 2 sati. Vrlo mali broj automobila na putovanjima će morati da naplati u kasnim popodnevnim satima, a za to će platiti premiju.

Ljudi koji ovo nisu razumjeli smatrali su da je ironično što je Kalifornija najavila plan da bude potpuno električna do 2035. godine iste sedmice jer ih je toplinski val natjerao da podsjete ljude da ne naplaćuju baterije od 4 do 9 sat. Ovo je pogrešno prijavljeno jer su tražili od ljudi da izbjegavaju punjenje svojih automobila, ali u stvari savjet da se ne puni na vrhuncu je standardni dobar savjet u svakom trenutku, ne samo u vrućinama. U Kaliforniji se niko nije našao sa mrtvim automobilom zbog ove nestašice, jer je to samo vrhunac potražnje za snagu, ne energiju, u špicu.

(Treba napomenuti da uprkos upozorenjima, kalifornijski mrežni operater nikada nije morao da radi zatamnjenja. Jednostavne tekstualne poruke u kojima se tražilo od ljudi da smanje struju bile su iznenađujuće dobre.)

Uputnik:

Energija je ono što obavlja koristan posao, kao što je kretanje automobila i hlađenje 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 će možda trebati galon benzina da pređe 30 milja, ili 7.5 kWh, ali treba mu više konjskih snaga da bi to učinio brže. Posebno zato što kW i kWh zvuče tako slično, ljudi ih zbune.

Više energije

Ne moramo povećavati snagu mreže da bismo napunili sve automobile, ali će morati proizvoditi više energije. Čak i ako svi novi automobili 2035. budu električni, većina benzinskih automobila neće proći do 20 godina nakon toga. Danas Amerikanci voze oko 3 triliona milja godišnje (pola svjetlosne godine!) Kad bi sve to radili u automobilima kao što je TeslaTSLA
Model 3, za koji bi bilo potrebno još 750 teravat sati (tWh) godišnje. U 2020. godini SAD su proizvele 4,000 tWh tako da je ovo povećanje od oko 20% — ali ne do 2050. godine. To je više od toga, jer će biti kamiona koji troše mnogo više energije po milji, i drugih manje efikasnih automobila, i bit će više automobila i više vožnje, ali ovo vam daje potpunu predstavu o količini potrebne dodatne energije. (Također želimo premjestiti plinsko grijanje za domove i toplu vodu sa fosilnih na električne toplotne pumpe, što je druga rasprava.)

Američka elektroenergetska mreža je već povećala ukupnu proizvodnju energije za 20% u posljednjih 30 godina, tako da je to sigurno nešto što je prije rađeno bez posebnog napora. Budući da bi povećanje moglo biti veće, možda će biti potrebno uložiti određeni napor. (Možda i ne, postajemo sve bolji u efikasnosti, a mnogi naši uređaji i stvari poput naših sijalica koriste djelić snage koju su koristili u prošlosti.)

Dok nam je potrebno 20% više energije, ne treba nam mnogo više energije zbog električnih automobila. Možda će nam trebati više energije za druge stvari – posebno rast stanovništva – ili nam je možda potrebno manje kada postanemo efikasniji. Nove elektrane nude i više snage i više energije, iako na različite načine. Da smo planirali samo sagorijevati više uglja 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, neće nam trebati više mreže zbog automobila.

Ovaj dodatni napor će doći uglavnom iz obnovljivih izvora, posebno solarnih. To nije iz nekog ekološkog razloga. Danas je solarna energija najjeftiniji tip nove elektrane za izgradnju. Kada pogledate ukupnu cijenu po kWh bilo koje vrste postrojenja, solarna energija je pobjednik — i svake godine je sve jeftinija. Ako samo želite energiju po najnižoj cijeni, i možete birati kada je koristite, solarna elektrana je jedino postrojenje koje se gradi jednostavno na temelju cijene — iako je nulta emisija svakako dobra.

Iako je čist i tih i jednostavan za rukovanje, njegova mana je što daje snagu samo kada je sunčano. U stvari, ako želite generirati 24 megavat-sata dnevno, mogli biste to učiniti sa običnom elektranom od 1 megavata koja radi cijeli dan, ali sa solarnom elektranom možda će vam trebati elektrana od 6 megavata, a energiju ćete dobiti samo u danju, osim ako ste imali i skladište. Ali ta solarna elektrana od 6 megavata koštala bi manje po jedinici energije od 1 mW gas, ugalj ili nuklearna elektrana.

Da biste riješili taj problem, morate pronaći veliko opterećenje koje može podnijeti isprekidanu isporuku energije iz obnovljivih izvora energije kada se to kaže - kada sija sunce ili duva vjetar.

To je upravo vrsta punjenja baterija, što će reći EV. Dokle god je automobil uključen, on će uzimati struju kada ima viška, a ne uzimati je kada postoji 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 ovakvo 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 potražnje je hlađenje, a kako grijanje prebacimo sa fosilnog goriva na toplotne pumpe (klima uređaji u obrnutom smjeru) to će također postati veliko opterećenje. Ali grijanje i hlađenje također mogu promijeniti njihove potrebe, ako koristimo opremu dizajniranu za to. To je zato što toplotu (ili hladnoću) možete skladištiti u najjeftinijoj „bateriji“ od svih — vodi.

Noviji napredni klima uređaji znaju koliko će klima-uređaja biti potrebno kasnije tog dana. Tokom noći i jutra hlade i zamrzavaju vodu u izolovanim rezervoarima sa ledom. To rade kada je struje jeftino i ima u izobilju, i kada je temperatura niža i potrebno je manje truda. Kasnije, kada je struja oskudna, koriste taj led za hlađenje zgrada. Naše prognoze temperature su sada vrlo precizne tako da kompjuteri mogu kontrolirati cijeli ovaj proces kako bi ga učinili brzim i efikasnim. Struja će doći ili noću (kada je potražnja mala) ili ujutro (kada je još hladno i kada postoji veliki višak solarne energije.) Solarni višak će biti toliko velik da će se sva opterećenja koja se mogu kretati u vremenu (poput baterija , hlađenje i grijanje) će uzeti višak ujutro. Obnovljivi izvori energije trebaju skladište, ali to skladište će biti baterije koje su već u automobilima, te rezervoari leda ili (za grijanje) tople vode. Postojaće i druge vrste skladištenja (pumpane hidro i baterije i druge metode), ali će nam trebati mnogo manje toga nego što bismo imali da se držimo naših starih klima uređaja.

Kao takav, veliki dio problema buduće obnovljive mreže može se riješiti električnim vozilima i ledom. Imajte na umu da ovo ne uključuje automobile koji služe kao baterije kroz tehnologiju koja se naziva „od vozila do mreže“. To se može učiniti kada baterije postanu super-dugotrajne, ali nema smisla kada se skupe automobilske baterije potroše dok rade, osim ako se struja može prodati po vrlo visokim spot cijenama tokom preopterećenja mreže.

(Skladište leda za hlađenje i grijanje se iznenađujuće sporo postavlja. Prema Mikeu Hopkinsu, bivšem izvršnom direktoru Ice Energy, najranije kompanije u svemiru, ljudi koji instaliraju klima uređaje jednostavno nisu navikli na nove stvari, pa čak ni na osnovnu državu mandati to ne čine dovoljno brzo. On 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 on proizvodi energiju po sunčevom rasporedu, a ne po vašem. Električnim vozilima je potrebno mnogo više električne energije, ali mogu je prihvatiti prema rasporedu sunca. Dva problema rade na poništavanju jedan drugog. Kada dodate mogućnost klima uređaja, sistema za grijanje u kući i sistema tople vode da naprave i skladište grijanje i hlađenje i to kasnije isporuče, kao da su problemi stvoreni jedni za druge. Naravno, ovo ne rješava sve – trebat će nam drugi tipovi skladišta, a vjerovatno i više vjetra, nuklearnih i geotermalnih. I još ćemo neko vrijeme koristiti naša postrojenja prirodnog plina da dođemo do vrhova. Neki ljudi misle da ćemo čak koristiti baterije u električnim vozilima za prodaju energije nazad u mrežu na vrhuncu kako bismo to izbjegli. Na gornjem grafikonu, žuta solarna linija će postati mnogo viša — zapravo viša od vršne potražnje, ali to stvara veliki problem u 7 sati kada sunce zađe i odjednom sva ta vršna energija mora doći iz nesolarne energije.

Način na koji su EV-ovi spas mreže je da nam dozvoljavaju da izgradimo tonu jeftinih, zelenih solarnih kapaciteta, a zatim nam daju mjesto da stavimo svu dodatnu solarnu snagu od jutra do 3 sati.

Takođe ćemo morati da instaliramo mnogo više utikača za punjenje tamo gde se automobili parkiraju od 8 do 3 časova, što je mešavina radnih mesta i kuća. Dok je noć najpovoljnije vrijeme, jeftini višak solarne energije bit će ujutro. Ima još mnogo toga da se uradi, ali električna vozila, sa svojom fleksibilnošću u preuzimanju moći, biće deo rešenja, a ne deo problema.