Elbilar kommer inte att överbelasta elnätet, i själva verket är elbilar (och is) dess räddning

Västra USA drabbas av en stor värmebölja som kan resultera i rullande strömavbrott och påminnelser om att inte ladda elbilar på eftermiddagen. Med Kalifornien som också beordrade att alla bilar år 2035 ska vara elektriska, har detta återuppstått ett vanligt meme som ofta talas av EV-motståndare, tanken att elnätet omöjligen kan hantera detta.

Samtidigt är det sant att vi planerar ett mycket förnybart nät, men de viktigaste förnybara energikällorna, sol och vind, är intermittenta, beroende på tid på dygnet och väder.

Det visar sig att dessa två problem faktiskt kan ta bort varandra något, och i kombination med vissa andra tekniker kommer det inte att vara några problem alls.

Behöver mer energi, inte nödvändigtvis mer kraft

Det är sant att för att alla bilar ska bli elektriska måste vi generera mer elektrisk energi. Nätkapacitet kan mätas både i den totala årliga energiproduktionen, och även i maximal effekt, och det är olika saker. Energi är en vara som liter bensin eller kWh. Kraft är den omedelbara leveransen av energi, mängden energi du kan leverera på en sekund.

På nätet fluktuerar efterfrågan och tillgången på kraft under dagen. De är låga på natten, men under varma dagar fortsätter efterfrågan att stiga när dagen går och det blir varmare, vilket gör att det behövs mer luftkonditionering. AC är den primära drivkraften för toppefterfrågan på nätet. Efterfrågan tenderar att toppa runt 6 men är fortfarande stark fram till cirka 9 och sedan avtar den in på natten. Vid kallare tider finns det ingen topp när det är som varmast, så det brukar vara två (mycket lägre) toppar på dagen. Vid varje given tidpunkt har nätet en kraftkapacitet. Det fluktuerar under dagen på grund av de förnybara energikällorna, men huvudmålet är att se till att från 4:9 till XNUMX:XNUMX, när efterfrågan är som störst, har vi tillräckligt med leveranskapacitet för att möta den. Så vi spenderar pengar på att tillverka kraftverk och transmissionsledningar för att tillhandahålla den försörjningen.

Diagrammet visar Kaliforniens efterfrågan och utbud under värmeböljan, den 3 september 2022. Det totala utbudet var över 55gW, så det var en hel del extra, men under toppen från 3 till 9 är det över 40gW.

Resten av dagen är utbudet fortfarande tillgängligt. Vi kanske bara slår på alla kraftverk på sen eftermiddag, men vi har betalat för dem och kan köra dem vid andra tider om vi vill. Vissa anläggningar, som kärnkraftverk, måste vara igång hela dagen, de är svåra att stänga av. Effektiva naturgasanläggningar tar lite tid att värma upp och kyla ner, men vi kan stänga av dem när de inte behövs. Hydroanläggningar kan slås på och av efter önskemål. Solcellsanläggningar genererar naturligtvis bara ström på dagen, och mest när det är soligt.

Bilar kan laddas när som helst på dygnet. Den genomsnittliga amerikanska bilen kör mindre än 40 miles per dag, vilket innebär att de vanligtvis kan gå 5 dagar utan laddning om de behöver, men de kan definitivt välja när de ska ladda så länge de kan ansluta. De flesta kopplar in på natten, när det finns som mest överskottskapacitet på nätet, och ström är billigast. I framtiden kommer fler att koppla in sig på jobbet, men det kommer att finnas överkapacitet fram till cirka 2 för de bilarna. Ett mycket litet antal bilar på vägresor kommer att behöva ladda på sen eftermiddag, och de kommer att betala en premie för det.

Människor som inte förstod detta tyckte att det var ironiskt att Kalifornien tillkännagav planen att bli helt elektrisk till 2035 samma vecka som en värmebölja fick dem att påminna folk om att inte ladda från 4:9 till XNUMX:XNUMX. Detta blev felaktigt rapporterat eftersom de bad folk att undvika att ladda sina bilar, men i själva verket är rådet att inte ladda vid toppbelastning alltid ett bra råd, inte bara i värmeböljor. Ingen i Kalifornien befann sig med en död bil på grund av denna brist, eftersom det bara är en efterfråganstopp för kraft, inte energi, vid topptider.

(Det bör noteras att trots varningar behövde nätoperatören i Kalifornien aldrig göra rullande strömavbrott. Enkla textmeddelanden som bad folk att minska strömmen gick förvånansvärt bra.)

En referent:

Energi är det som gör nyttigt arbete, som att flytta bilar och kyla hem. Det mäts i enheter som kilowattimmar (kWh) eller till och med i liter bensin. Effekt är hastigheten energiflöden, mätt i kilowatt eller hästkrafter. Din bil kan behöva en gallon bensin för att gå 30 miles, eller en 7.5 kWh, men den behöver mer hästkrafter för att göra det snabbare. Särskilt eftersom kW och kWh låter så lika, gör folk förvirrade.

Mer energi

Vi behöver inte öka kraften i nätet för att ladda alla bilar, men det kommer att behöva producera mer energi. Även om alla nya bilar år 2035 är elektriska, dröjer det inte förrän cirka 20 år efter det innan de flesta bensinbilarna lämnar vägen. Idag kör amerikaner cirka 3 biljoner mil per år (ett halvt ljusår!) Om de gjorde allt det i bilar som TeslaTSLA
Modell 3, som skulle behöva 750 fler terawattimmar (tWh) per år. År 2020 genererade USA 4,000 20 tWh så det är en ökning med cirka 2050 % – dock inte förrän runt XNUMX. Det är mer än så, eftersom det kommer att finnas lastbilar som använder mycket mer energi per mil, och andra mindre effektiva bilar, och där kommer att bli fler bilar och mer körning, men detta ger dig en uppfattning om hur mycket extra energi som behövs. (Vi vill också flytta gasvärme för bostäder och varmvatten från fossila till elektriska värmepumpar, vilket är en annan diskussion.)

Det amerikanska elnätet har redan ökat i total energiproduktion med 20 % under de senaste 30 åren, så detta är verkligen något som har gjorts tidigare utan någon speciell ansträngning. Eftersom ökningen kan vara större, kan vissa speciella ansträngningar behöva göras. (Kanske inte, vi blir hela tiden bättre på att vara effektivare, och många av våra apparater och saker som våra glödlampor använder en bråkdel av den ström de använde tidigare.)

Medan vi behöver 20 % mer energi, behöver vi inte mycket mer kraft på grund av elbilarna. Vi kan behöva mer kraft för andra saker – särskilt befolkningstillväxt – eller så kan vi behöva mindre när vi blir mer effektiva. Nya kraftverk erbjuder både mer kraft och mer energi, men på olika sätt. Om vi ​​planerade att bara bränna mer kol och gas skulle vi faktiskt kunna få mer energi från de befintliga anläggningarna genom att bränna mer bränsle, men det är inte vår plan så vi kommer att behöva fler förnybara anläggningar. Vi kommer dock inte att behöva mer rutnät på grund av bilarna.

Denna extra ansträngning kommer främst från förnybar energi, särskilt solenergi. Det är inte av någon miljöskäl. Idag är solenergi den billigaste typen av nya kraftverk att bygga. När du tittar på den totala kostnaden per kWh från alla typer av anläggningar är solel vinnaren — och den blir billigare för varje år. Om du bara vill ha energi för det lägsta priset, och du kan välja och vraka när du använder den, är solenergi den enda anläggningen som helt enkelt bygger på priset - även om nollutsläppen verkligen är trevliga.

Även om den är ren och tyst och enkel att använda, är den enda nackdelen att den bara ger kraft när det är soligt. Faktum är att om du ville generera 24 megawattimmar per dag skulle du kunna göra det med en vanlig anläggning på 1 megawatt som är igång hela dagen, men med solenergi kan du behöva en anläggning på 6 megawatt, och du skulle bara få in din ström dagtid, om du inte också hade förvaring. Men den där 6 megawatts solkraftsanläggningen skulle kosta mindre per energienhet än gas-, kol- eller kärnkraftverket på 1 mW.

För att lösa det problemet måste du hitta en stor belastning som kan ta den intermittenta kraftleveransen från en förnybar anläggning när den blir tillsagd - när solen skiner eller vinden blåser.

Det är precis den typen av lastbatterier, det vill säga elbilar, är. Så länge en bil är inkopplad tar den ström när det finns ett överskott och inte när det är brist. Väldigt få andra laster är så flexibla. För varannan last behöver du strömmen när du behöver den, men med ett batteri tar du den vid en annan tidpunkt än du använder den. En annan belastning som denna är att filtrera poolvatten - du behöver bara filtrera tillräckligt varje dag, det spelar ingen roll när.

Uppvärmning och kylning

Den största belastningen på elnätet, och orsaken till toppbehovet, är kyla, och när vi byter uppvärmning från fossilt bränsle till värmepumpar (klimatanläggningar i omvänd ordning) blir det också en stor belastning. Men uppvärmning och kylning kan också förändra deras behov, om vi använder redskap som är utformade för det. Det beror på att du kan lagra värme (eller kyla) i det billigaste "batteriet" av alla - vatten.

Nyare avancerade luftkonditioneringsapparater vet precis hur mycket luftkonditionering som kommer att behövas senare samma dag. Under natten och morgonen kyler de och fryser vatten i isolerade tankar med is. De gör detta när elen är billig och riklig, och när temperaturen är lägre och det kräver mindre ansträngning. Senare, när strömmen är knapp, använder de den isen för att kyla byggnader. Våra temperaturprognoser är nu mycket exakta så att datorer kan styra hela processen för att göra den snabb och effektiv. Strömmen kommer antingen på natten (när efterfrågan är låg) eller på morgonen (när det fortfarande är svalt och det finns ett stort överskott av solenergi.) Solöverskottet kommer att vara så stort att alla belastningar som kan röra sig i tiden (som batterier) , kyla och uppvärmning) tar överskottet på morgonen. Förnybara energikällor behöver lagring, men den lagringen kommer att vara de batterier som redan finns i bilarna, och tankarna med is eller (för uppvärmning) varmvatten. Det kommer också att finnas andra typer av lagring (pumpad vattenkraft och batterier och andra metoder) men vi kommer att behöva mycket mindre av det än om vi skulle hålla fast vid våra gamla luftkonditioneringsapparater.

Som sådan kan en stor del av problemen med ett framtida förnybart elnät lösas med elbilar och is. Observera att detta inte innebär att bilarna fungerar som batterier genom vad som kallas "vehicle to grid"-teknik. Det kan göras när batterierna blir superlångvariga, men det är inte meningsfullt när dyra bilbatterier tar slut när de fungerar, om inte ström kan säljas till mycket höga spotpriser under överbelastning av nätet.

(Islagring för kylning och uppvärmning har varit förvånansvärt långsam att distribuera. Enligt Mike Hopkins, tidigare VD för Ice Energy, det tidigaste företaget i rymden, är människor som installerar luftkonditionering helt enkelt inte vana vid nya saker, och till och med grundläggande regering mandat får det inte att ske tillräckligt snabbt. Han anser att lagen borde börja kräva lagring – inte nödvändigtvis is – för uppvärmning och kylning i nybyggnation, och detta kommer att lösa problemet med toppbehovet.)

Solars problem är att den genererar ström enligt solens schema, inte ditt. Elbilar behöver mycket mer elektrisk energi, men kan acceptera det enligt solens schema. De två problemen arbetar för att eliminera varandra. När du lägger till förmågan hos luftkonditioneringsapparater, hemvärmesystem och varmvattensystem att tillverka och lagra värme och kyla och avge det senare, är det som om problemen skapades för varandra. Det här löser naturligtvis inte allt – vi kommer att behöva andra typer av lagring, och förmodligen mer vind, kärnkraft och geotermisk energi. Och vi kommer fortfarande att använda våra naturgasanläggningar ett tag framöver vid topptopparna. Vissa människor tror att vi till och med kommer att använda batterierna i elbilar för att sälja tillbaka kraften till elnätet på topp för att undvika det. I diagrammet ovan kommer den gula solcellslinjen att bli mycket högre - faktiskt högre än toppefterfrågan, men det skapar ett stort problem klockan 7 när solen går ner och plötsligt måste all toppeffekt komma från icke-solenergi.

Det sätt som elbilar är nätets räddning är att de låter oss bygga massor av billig, grön solenergikapacitet och sedan ger oss en plats att lägga all extra solenergi från morgon till 3:XNUMX.

Vi kommer också att behöva installera mycket fler laddningskontakter där bilar parkerar från 8:3 till XNUMX:XNUMX, vilket är en blandning av arbetsplatser och hem. Även om natten är den mest bekväma tiden, kommer det billiga solenergiöverskottet att vara på morgonen. Det finns fortfarande mycket att göra, men elbilar, med sin flexibilitet att ta makten, kommer att vara en del av lösningen, inte en del av problemet.