Ursprungligen publicerad av NREL
Låsa upp värdet av elektriska mobilitetstekniker för att öka effektiviteten och tillförlitligheten i kraftsystemet
När försäljningen av elfordon (EV) fortsätter att öka i USA, kämpar elnätet parallellt med den största omvandlingen i sin 100-åriga historia:den storskaliga integrationen av förnybar energi och kraftelektronik. Den förväntade expansionen av elbilar kommer att flytta dessa utmaningar till hög växel, vilket får städer att möta gigawatt-tillväxt i efterfrågan på el och högre mängder variabel energi.
Att samordna ett stort antal elbilar med kraftsystemet är en mycket komplex utmaning. Elbilar introducerar variabla elektriska belastningar som är starkt beroende av kundernas beteende. Elektrifierade transporter innebär samoptimering med andra energisystem, som naturgas och bulkbatterilagring. Det kan röra sig om flottor av automatiska elbilar PDF och leda till lastbilsstopp med hybridenergi som ger vätgas och snabbladdning till tunga fordon.
Dessa förändringar kommer alla att testa gränserna för nätintegration, men National Renewable Energy Laboratory (NREL) ser möjligheter i skärningspunkten mellan energisystem och transporter. Med kraftfulla resurser för att simulera och utvärdera komplexa system, bestämmer flera NREL-projekt vilken samordning som krävs för snabbladdning, balansering av tillgång och efterfrågan på el och effektiv användning av alla energitillgångar.
Med rätt kontroller ser NREL mobilitet som en kraft för nätflexibilitet.
För att uppskatta värdet av koordinerad elbilsladdning är det bra att föreställa sig det motsatta scenariot.
"Vår första fråga är hur stor nytta eller börda det superenkla, okoordinerade tillvägagångssättet för elfordonsladdning erbjuder nätet", säger Andrew Meintz, forskaren som leder NREL:s Electric Vehicle Grid Integration-team, såväl som RECHARGE-projektet för smart EV-laddning. "Då jämför vi det med "whiz-bang", allt-hänger ihop-metoden. Vi vill veta skillnaden i värde.”
I det "superenkla" tillvägagångssättet förklarade Meintz att batteridrivna elfordon växer i marknadsandel utan någon utveckling i samordning av fordonsladdning. Tänk dig att varje anställd på din arbetsplats kör hem klockan 17.00. och laddar sitt fordon. Det är nätets motsvarighet till att köra 0 till 100 mph, och om det inte förstör systemet är det åtminstone väldigt dyrt. Enligt NRELs Electrification Futures Study, en omfattande analys av effekterna av en utbredd elektrifiering inom alla amerikanska ekonomiska sektorer, skulle elbilar år 2050 kunna bidra till en ökning av energianvändningen med 33 % under hög efterfrågan på el – de dyra intervallen på dagen när energireserverna är upphandlade. I ankkurvspråk kommer elbilar att belasta ankans hals ytterligare.
Meintz "whiz-bang"-strategi föreställer istället EV-kontrollstrategier som är avsiktliga och tjänar till att jämna ut, snarare än intensifiera, den kommande efterfrågan på el. Det innebär att hantera både när och var fordon laddar för att skapa flexibel belastning på nätet.
NREL-forskarna Andrew Meintz, Soumya Tiwari och Colin Tombari arbetar i labbet för optisk karaktärisering och termiska system i Energy Systems Integration Facility. Optimerings- och kontrolllabbets fack för integration av elfordonsnät tillåter forskare att avgöra hur avancerade högeffektsladdare kan läggas till på ett säkert och effektivt sätt till nätet, med potential att utforska hur man kombinerar byggnader och laddning av elbilar. Foton av Dennis Schroeder, NREL
NREL-forskarna Andrew Meintz, Soumya Tiwari och Colin Tombari arbetar i labbet för optisk karaktärisering och termiska system i Energy Systems Integration Facility. Optimerings- och kontrolllabbets fack för integration av elfordonsnät tillåter forskare att avgöra hur avancerade högeffektsladdare kan läggas till på ett säkert och effektivt sätt till nätet, med potential att utforska hur man kombinerar byggnader och laddning av elbilar. Foton av Dennis Schroeder, NREL
På NREL utvecklas smarta strategier för att skicka fordon för optimal laddning för både nätkanten, där konsumenter och energianvändare ansluter till nätet, som i RECHARGE PDF och hela distributionssystemet, som i GEMINI-XFC-projektet PDF. Båda projekten, finansierade av U.S. Department of Energys (DOE:s) fordonsteknologikontor, bygger på avancerad kapacitet vid NRELs Energy Systems Integration Facility för att simulera framtida energisystem.
Vid nätkanten kan elbilar samoptimeras med distribuerade energiresurser – småskalig produktion eller lagringsteknik – föremål för ett partnerskap med Eaton som förde in industrins perspektiv på samordnad förvaltning av elbilsflottor.
https://youtu.be/vowQ4eFJVT0
På den större systemnivån har GEMINI-XFC-projektet utökat EV-optimeringsscenarier till stadsskala – San Francisco Bay Area, närmare bestämt.
GEMINI-XFC involverar den högsta trovärdigheten någonsin för transport och nätet, säger Bryan Palmintier, forskningschef NREL för Grid-Connected Energy Systems.
Vi kombinerar framtida transportscenarier med en samsimulering av storstadsområde PDF – miljontals simulerade kunder och en realistisk distributionssystemmodell – för att hitta de bästa metoderna för fordon som hjälper nätet.”
GEMINI-XFC och RECHARGE kan förutse framtida elektrifieringsscenarier och sedan infoga kontroller som till exempel minskar nätstockningar eller kompenserar efterfrågan på toppar. Laddning av elbilar innebär ett slags skalspel, där laster kontinuerligt flyttas mellan laddstationer för att tillgodose efterfrågan på nätet.
Men för tunga fordon är lasten svårare att dölja. Elektrifierade lastbilsflottor kommer snart ut på vägen, vilket skapar megawatt av lokal efterfrågan. Ingen mängd omdirigering kan undvika kraven på laddning av tunga fordon eller andra fall av extrem snabbladdning (XFC). För att möta denna utmaning arbetar NREL med industrin och andra nationella laboratorier för att studera och demonstrera den tekniska utbyggnaden som krävs för att uppnå 1+ MW laddningsstationer PDF som kan snabbladdas vid mycket höga energinivåer för medelstora och tunga fordon.
För att nå en sådan skala överväger NREL också ny kraftomvandlingshårdvara baserad på avancerade material som halvledare med breda bandgap, såväl som nya kontroller och algoritmer som är unikt lämpade för flottor av laddningshungriga fordon. Utmaningen att integrera 1+ MW-laddning driver också NREL-forskningen till högre effekt:Kommande kapacitet kommer att titta på många megawattsystem som knyter an till stöd från andra energisektorer.
På NREL möts strävan mot större laddningskrav med större forskningskapacitet. Tillkännagivandet av ARIES öppnar dörren till forskning om energisystemintegration i en skala 10 gånger större än nuvarande kapacitet:20 MW, upp från 2 MW. Kritiskt sett ger det en möjlighet att förstå hur mobilitet med höga energibehov kan samoptimeras med andra tillgångar i nyttoskala för att gynna nätstabiliteten.
Om du har ett nät som brummar tillsammans med en konstant last, då kräver en lastbil 500 kW eller mer effekt, det kan skapa en stor störning för nätet, säger Keith Wipke, laboratorieprogramchef för bränsleceller och vätgasteknologier på NREL.
Ett sådant högt effektbehov skulle delvis kunna betjänas av batterilagringssystem. Eller så kan det döljas helt med väteproduktion. Wipkes program, med stöd från DOE:s Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office, har utfört studier av hur elektrolysörer - enheter som använder elektricitet för att bryta vatten till väte och syre - kan kompensera näteffekterna av XFC. Dessa ansträngningar är också nära anpassade till DOE:s H2@Scale-vision för prisvärd och effektiv väteanvändning inom flera sektorer, inklusive tunga transporter, kraftgenerering och metalltillverkning, bland annat.
NREL-forskarna Rishabh Jain, Kazunori Nagasawa och Jen Kurtz arbetar med hur nätintegrering av elektrolysörer – enheter som använder elektricitet för att bryta upp vatten till väte och syre – kan kompensera näteffekterna av extrem snabbladdning.
Vi simulerar elektrolysörer som kan matcha laddningsbelastningen för kraftiga batteridrivna elfordon. När snabbladdningen börjar rampas elektrolysatorerna ner. När snabbladdningen slutar, rampas elektrolysatorerna upp igen, säger Wipke. "Om det görs smidigt, vet verktyget inte ens att det händer."
Eftersom elektrolysörer utnyttjar de billiga elektronerna från perioder utan behov, kan en betydande mängd väte produceras på plats. Det skapar en naturlig energiväg från lågprisel till ett bränsle. Det är därför inte konstigt att flera välkända transport- och bränsleföretag nyligen har inlett ett partnerskap på flera miljoner dollar med NREL för att främja teknik för tunga vätgasfordon.
Logistiken med att utöka infrastrukturen för elektrisk laddning från 50 kW för en elektrisk lastbil med ett enda demonstrationsbatteri till 5 000 kW för en flotta på 100 kan innebära utmaningar, säger Wipke. ”Väte fjälls väldigt fint; du tar i princip väte till en bensinstation eller producerar det på plats, men hur som helst kopplas vätebränslehändelserna i tid från väteproduktion, vilket ger fördelar för nätet."
Den långa räckvidden och snabba bränsletider – inklusive ett DOE-mål att uppnå 10 minuters tankning för en lastbil PDF – har redan gjort väte till den framstående lösningen för applikationer i lagertruckar. Vidare har NREL upptäckt att distribuerade elektrolysörer samtidigt kan producera väte och förbättra spänningsförhållandena, vilket kan lägga till välbehövlig stabilitet till ett nät som tar emot mer energi från varierande resurser.
Dessa exempel som samoptimerar mobiliteten med nätet, med hjälp av olika teknologier, uppmuntrar NREL och dess partners att sträva efter en ny skala av systemintegration. Flera framåtsträvande projekt ombildar stadsmobilitet som en blandning av energilösningar som integrerar de relativa styrkorna hos transporttekniker, som kompletterar varandra för att fylla viktiga luckor i nätets tillförlitlighet.
Hur kommer elektrifierade transporter att se ut vid höga penetrationer? Några NREL-projekt ger lite perspektiv. Bland de mest experimentella hjälper NREL staden Denver att utveckla en smart gemenskap, integrerad med elektrifierad mobilitet och med automatisk laddning och fordonssändning.
https://youtu.be/syMkqm4DTtw
På en annan väg mot avancerad mobilitet har Los Angeles inlett en plan för att modernisera sin infrastruktur för elsystem – med sikte på en 100 % förnybar energiförsörjning till 2045, tillsammans med aggressiva elektrifieringsmål för byggnader och fordon. Genom Los Angeles 100 % Renewable Energy Study arbetar staden för närvarande med NREL för att bedöma de fullskaliga effekterna av övergången i en detaljerad analys som integrerar olika funktioner i laboratoriet.
Övergången skulle omfatta hamnen i Long Beach, den mest trafikerade containerhamnen i USA.
I hamnen tillämpar NREL samma sorts scenarioprognoser och kontrollutvärdering som andra projekt, för att hitta den optimala mixen av teknologier som kan integreras för både nätstabilitet och en pålitlig servicekvalitet:en mix av vätebränsle- cell- och batteridrivna elbilar, batterilagringssystem, förnybar generering på plats och extrem koordination mellan allt.
Vätgas i hamnar är vettigt av samma anledning som lastbilar:Marina applikationer har stora kraft- och energibehov”, sa Wipke. "Men det är egentligen synergierna mellan olika tekniker – den befintliga infrastrukturen för elbilar och flexibiliteten hos bulkbatterisystem – som verkligen kommer att göra övergången till hög förnybar energi möjlig."
Port of Long Beach använder en blandning av vätgasbränsleceller och elbilar med batteri, batterilagringssystem, förnybar generering på plats och extrem samordning mellan allt.
Liksom hamnen i Long Beach anpassar sig transportnav över hela landet till en komplex miljö av nya mobilitetslösningar. Flygplatser och stationer för kollektivtrafik involverar förflyttning av passagerare, varor och tjänster med en volym som överstiger någon annanstans. Med övergången till digitalt ansluten elektrisk mobilitet som förändrar hur flygplatser planerar för framtiden, använder NREL-projekt som Athena kraften hos högpresterande datoranvändning för att visa hur dessa nav kan maximera värdet av passagerar- och godsmobilitet per energi-, tidsenhet och/eller kostnad.
Tillväxten i komplexitet för transportnav har dock precis börjat. Framöver kan flottor av elbilar med samåkning, automatiserade fordon och elbilsflottor med automatisk samåkning utgöra den största ansträngningen för att hantera mobilitet hittills.
För att förstå den fulla effekten av framtida mobilitetsleverantörer utvecklade NREL simuleringsramverket HIVE (Highly Integrated Vehicle Ecosystem). HIVE kombinerar faktorer relaterade till mobilitetsbehov och nätdrift – som en kunds vilja att samåka eller försena resor, och potentiellt tidsvariable kostnader för laddning – och simulerar resultatet i en integrerad miljö.
Vår fråga är, hur optimerar du hanteringen av en flotta vars primära syfte är att tillhandahålla åkturer och förbättra flottans leverans och laddning?" sa Eric Wood, en NREL-fordonssystemingenjör.
HIVE utvecklades som en del av NREL:s forskning om autonoma energisystem för att optimera kontrollen av automatiserade fordonsflottor. Det vill säga optimerad routing och utskick av automatiserade elfordon.
Projektet föreställer sig hur prissignaler kan påverka leveransalgoritmer. Överväg att en kund bokar en pendling via en app för resor. Vilken av fordonsflottan i närheten – olika laddade och ständigt växlande platser – vilken ska hämta kunden?
Tänk nu på rörelserna för tusentals passagerare i en stad och tusentals fordon som tillhandahåller transporttjänster. Bland antalet agenter, förändringen av tillgång och efterfrågan på energi från ögonblick till ögonblick, och den breda mångfalden av leverantörsteknologier, "leker vi med många parametrar", sa Wood.
Men genom att skära igenom all komplexitet, och mitt i massiva simuleringar, är slutmålet för integration mellan fordon och nät konsekvent:
Motivationen för vårt arbete är att det finns prognoser för betydande belastning på nätet från elektrifieringen av transporter, säger Wood. "Vi vill säkerställa att denna last är säkert och effektivt integrerad samtidigt som passagerarnas förväntningar och behov uppfylls."
Elfordon är inte nödvändigtvis till hjälp för nätet, men de kan vara det. När elbilar blir etablerade inom transportsektorn, studerar NREL hur man kan jämna ut eventuella stötar som elektrifierad mobilitet kan orsaka på nätet och främja eventuella fördelar för pendlare eller industri.
Allt handlar om lastflexibilitet, säger Meintz. "Vi försöker bestämma hur vi ska skicka fordonsladdningar på bästa sätt för att möta överväganden om servicekvalitet, samtidigt som vi minimerar laddningskostnaderna."
Genom att tillämpa EV-flexibilitet i samordning med andra energidomäner hjälper NREL vårt kraftsystem att klara sig igenom sin största övergång i historien.
Genom en kombination av modellerings- och simuleringsresurser i världsklass, experiment i stor skala och strategiska partnerskap kommer de upptäckter som NREL gör idag att säkerställa att utbredd elektrifierad mobilitet kommer fram smidigt på vägen.
Läs mer om NREL:s forskning inom transport, elnätsintegration, väte- och bränsleceller och integrering av energisystem.
Utvald bild:BMW i3 laddar vid Electrify America snabbladdningsstationer, sent på natten, med tillstånd av Cynthia Shahan, EVObsession
