EV's zullen het elektriciteitsnet niet overbelasten, in feite zijn EV's (en ijs) de redding

Het westen van de VS heeft te maken met een grote hittegolf die kan leiden tot voortschrijdende stroomuitval en herinneringen om 's middags geen elektrische auto's op te laden. Nu Californië ook beveelt dat alle auto's tegen 2035 elektrisch moeten zijn, is dit een veelvoorkomende meme die vaak wordt gesproken door EV-tegenstanders, het idee dat het elektriciteitsnet dit onmogelijk aankan.

Tegelijkertijd is het waar dat we een sterk hernieuwbaar netwerk plannen, maar de belangrijkste hernieuwbare energiebronnen, zon en wind, zijn intermitterend, afhankelijk van het tijdstip van de dag en het weer.

Het blijkt dat deze twee problemen elkaar enigszins kunnen opheffen, en in combinatie met sommige andere technologieën zal er helemaal geen probleem zijn.

Meer energie nodig, niet per se meer vermogen

Het is waar dat om alle auto's elektrisch te laten rijden, we meer elektrische energie moeten opwekken. Netcapaciteit kan zowel worden gemeten in totale jaarlijkse energieproductie als in maximaal vermogen, en dat zijn verschillende dingen. Energie is een handelsartikel zoals liters benzine of kWh. Vermogen is de onmiddellijke levering van energie, de hoeveelheid energie die u in een seconde kunt leveren.

Op het net fluctueren de vraag naar en het aanbod van stroom gedurende de dag. Ze zijn 's nachts laag, maar op warme dagen blijft de vraag toenemen naarmate de dag vordert en het warmer wordt, waardoor er meer airconditioning nodig is. AC is de belangrijkste aanjager van piekvraag op het net. De vraag piekt meestal rond 6 uur, maar is nog steeds sterk tot ongeveer 9 uur en neemt dan af tot in de nacht. Op koelere tijden is er geen piek wanneer het het heetst is, dus er zijn meestal twee (veel lagere) pieken op de dag. Het net heeft op elk moment een vermogen. Dat fluctueert gedurende de dag vanwege de hernieuwbare energiebronnen, maar het belangrijkste doel is ervoor te zorgen dat we van 4 tot 9 uur, wanneer de vraag het grootst is, voldoende aanbodcapaciteit hebben om hieraan te voldoen. Dus we geven geld uit om energiecentrales en transmissielijnen te maken om in die voorziening te voorzien.

De grafiek toont de vraag en het aanbod van Californië tijdens de hittegolf, op 3 september 2022. Het totale aanbod was meer dan 55gW, dus er was behoorlijk wat extra, maar tijdens de piek van 3 uur tot 9 uur was het meer dan 40gW.

De rest van de dag is er nog aanvoer. We zetten alle energiecentrales misschien pas laat in de middag aan, maar we hebben ervoor betaald en kunnen ze op andere tijden laten draaien als we dat willen. Sommige centrales, zoals kerncentrales, moeten de hele dag draaien, ze zijn moeilijk uit te zetten. Efficiënte aardgascentrales hebben enige tijd nodig om op te warmen en af ​​te koelen, maar we kunnen ze uitschakelen wanneer ze niet nodig zijn. Hydroplanten kunnen naar wens aan- en uitgezet worden. Zonnecentrales wekken natuurlijk alleen overdag stroom op, en het meeste als het zonnig is.

Auto's kunnen op elk moment van de dag worden opgeladen. De gemiddelde auto in de VS rijdt minder dan 40 kilometer per dag, wat betekent dat ze, indien nodig, meestal 5 dagen kunnen rijden zonder opladen, maar ze kunnen zeker kiezen wanneer ze willen opladen, zolang ze maar kunnen aansluiten. De meeste pluggen 's nachts in, wanneer er de meeste overtollige stroomcapaciteit op het net is en stroom het goedkoopst is. In de toekomst zullen er meer inpluggen op het werk, maar voor die auto's zal er tot ongeveer 2 uur overcapaciteit zijn. Een zeer klein aantal auto's op roadtrips zal in de late namiddag moeten opladen, en ze zullen er een premie voor betalen.

Mensen die dit niet begrepen, vonden het ironisch dat Californië het plan aankondigde om in 2035 volledig elektrisch te gaan in dezelfde week als een hittegolf hen eraan herinnerde om niet op te laden tussen 4 uur en 9 uur. Dit werd verkeerd gerapporteerd omdat ze mensen vroegen om hun auto niet op te laden, maar in feite is het advies om niet op de piek te laden altijd een standaard goed advies, niet alleen in hittegolven. Niemand in Californië had door dit tekort een dode auto, omdat het slechts een vraagpiek is voor kracht, niet voor energie, op de spitsuren.

(Opgemerkt moet worden dat de Californische netbeheerder, ondanks waarschuwingen, nooit een rolling black-out hoefde te doen. Eenvoudige sms-berichten waarin mensen werden gevraagd om het energieverbruik te verminderen, deden het verrassend goed.)

Een verwijzer:

Energie is wat nuttig werk doet, zoals het verplaatsen van auto's en het koelen van huizen. Het wordt gemeten in eenheden zoals kilowattuur (kWh) of zelfs in gallons benzine. Vermogen is de snelheid waarmee energie stroomt, gemeten in kilowatt of pk. Uw auto heeft misschien een liter benzine nodig om 30 mijl te rijden, of 7.5 kWh, maar hij heeft meer pk's nodig om het sneller te doen. Vooral omdat kW en kWh zo op elkaar lijken, verwarren mensen ze.

Meer energie

We hoeven het vermogen van het elektriciteitsnet niet te vergroten om alle auto's op te laden, maar het zal meer energie moeten produceren. Zelfs als alle nieuwe auto's in 2035 elektrisch zijn, duurt het nog ongeveer 20 jaar voordat de meeste benzineauto's van de weg gaan. Tegenwoordig rijden Amerikanen ongeveer 3 biljoen mijl per jaar (een half lichtjaar!) Als ze dat allemaal deden in auto's zoals de TeslaTSLA
Model 3 zou 750 terawattuur (tWh) meer per jaar nodig hebben. In 2020 produceerden de VS 4,000 tWh, dus dit is een stijging van ongeveer 20% - maar pas rond 2050. Het is meer dan dat, want er zullen vrachtwagens zijn die veel meer energie per mijl verbruiken, en andere minder efficiënte auto's, en er zullen zullen meer auto's zijn en meer rijden, maar dit geeft je een idee van de hoeveelheid extra energie die nodig is. (Ook willen we gasverwarming voor woningen en warm water verplaatsen van fossiele naar elektrische warmtepompen, dat is een andere discussie.)

Het Amerikaanse elektriciteitsnet is in de afgelopen 20 jaar al met 30% gestegen in totale energieproductie, dus dit is zeker iets dat eerder is gedaan zonder enige speciale inspanning. Omdat de toename groter kan zijn, kan het zijn dat er een speciale inspanning moet worden geleverd. (Misschien niet, we worden steeds beter in efficiënter werken, en veel van onze apparaten en dingen zoals onze gloeilampen gebruiken een fractie van de stroom die ze in het verleden gebruikten.)

Terwijl we 20% meer energie nodig hebben, hebben we niet veel meer stroom nodig vanwege de elektrische auto's. We hebben misschien meer stroom nodig voor andere dingen - met name bevolkingsgroei - of we hebben misschien minder nodig als we efficiënter worden. Nieuwe energiecentrales bieden zowel meer vermogen als meer energie, zij het op verschillende manieren. Als we van plan waren om gewoon meer kolen en gas te verbranden, zouden we eigenlijk meer energie uit de bestaande centrales kunnen halen door meer brandstof te verbranden, maar dat is niet ons plan, dus we zullen meer hernieuwbare centrales nodig hebben. We hebben echter niet meer grid nodig vanwege de auto's.

Deze extra inspanning zal voornamelijk afkomstig zijn van hernieuwbare energiebronnen, met name zonne-energie. Dat is niet om milieuredenen. Tegenwoordig is zonne-energie het goedkoopste type nieuwe elektriciteitscentrale om te bouwen. Als je kijkt naar de totale kosten per kWh van elk type installatie, is zonne-energie de winnaar - en het wordt elk jaar goedkoper. Als je gewoon energie wilt voor de laagste prijs, en je kunt kiezen wanneer je het gebruikt, is de zonne-energie de enige plant die gewoon op prijs bouwt - hoewel de nuluitstoot zeker leuk is.

Hoewel hij schoon en stil en eenvoudig te bedienen is, heeft hij als nadeel dat hij alleen stroom geeft als het zonnig is. Sterker nog, als je 24 megawattuur per dag wilt opwekken, zou je dat kunnen doen met een gewone installatie van 1 megawatt die de hele dag draait, maar met zonne-energie heb je misschien een installatie van 6 megawatt nodig, en je krijgt alleen je stroom binnen overdag, tenzij u ook opslag had. Maar die zonnecentrale van 6 megawatt zou per eenheid energie minder kosten dan de 1 mW gas-, kolen- of kerncentrale.

Om dat probleem op te lossen, moet je een grote belasting vinden die de intermitterende stroomvoorziening van een hernieuwbare installatie kan opvangen wanneer dat wordt gevraagd - wanneer de zon schijnt of de wind waait.

Dat is precies het type lading dat batterijen, dat wil zeggen EV's, zijn. Zolang een auto is aangesloten, zal hij stroom nemen als er een overschot is en niet wanneer er een tekort is. Er zijn maar weinig andere ladingen die zo flexibel zijn. Voor elke andere belasting heb je de stroom nodig wanneer je die nodig hebt, maar met een batterij neem je hem op een ander tijdstip dan je hem gebruikt. Een andere lading zoals deze is het filteren van zwembadwater - je moet gewoon elke dag genoeg filteren, het maakt niet uit wanneer.

Verwarming en koeling

De grootste belasting op het elektriciteitsnet, en de oorzaak van piekvraag, is koeling, en als we verwarming van fossiele brandstof overschakelen naar warmtepompen (airconditioners omgekeerd), zal het ook een grote belasting worden. Maar verwarming en koeling kunnen ook hun behoefte verschuiven, als we daarvoor ontworpen apparatuur gebruiken. Dat komt omdat je warmte (of koude) kunt opslaan in de goedkoopste 'batterij' van allemaal: water.

Nieuwere geavanceerde airconditioners weten precies hoeveel airconditioning later die dag nodig zal zijn. Tijdens de nacht en ochtend koelen en bevriezen ze water in geïsoleerde ijstanks. Dit doen ze wanneer de elektriciteit goedkoop en overvloedig is, en wanneer de temperatuur lager is en het minder moeite kost. Later, als de stroom schaars is, gebruiken ze dat ijs om gebouwen te koelen. Onze temperatuurvoorspellingen zijn nu zeer nauwkeurig, zodat computers dit hele proces kunnen controleren om het snel en efficiënt te maken. Stroom komt ofwel 's nachts (wanneer de vraag laag is) of' s morgens (wanneer het nog koel is en er een groot overschot aan zonne-energie is). Het zonneoverschot zal zo groot zijn dat alle belastingen die in de tijd kunnen bewegen (zoals batterijen , koeling en verwarming) nemen het overschot in de ochtend op. Renwables hebben opslag nodig, maar die opslag zijn de batterijen die al in de auto's zitten, en de tanks met ijs of (voor verwarming) warm water. Er zullen ook andere soorten opslag zijn (gepompte waterkracht en batterijen en andere methoden), maar daar hebben we veel minder van nodig dan als we bij onze oude airconditioners zouden blijven.

Als zodanig kan een groot deel van de problemen van een toekomstig hernieuwbaar netwerk worden opgelost met EV's en ijs. Merk op dat dit niet betekent dat de auto's als batterijen dienen door middel van de zogenaamde "vehicle to grid"-technologie. Dat kan worden gedaan zodra batterijen superduurzaam worden, maar het heeft geen zin wanneer dure autobatterijen opraken terwijl ze werken, tenzij stroom tegen zeer hoge spotprijzen kan worden verkocht tijdens overbelasting van het net.

(De implementatie van ijsopslag voor koeling en verwarming is verrassend traag verlopen. Volgens Mike Hopkins, voormalig CEO van Ice Energy, het eerste bedrijf in de ruimte, zijn mensen die airconditioning installeren gewoon niet gewend aan nieuwe dingen, en zelfs de basisregering mandaten zorgen ervoor dat het niet snel genoeg gebeurt. Hij is van mening dat de wet moet beginnen met het eisen van opslag - niet noodzakelijkerwijs ijs - voor verwarming en koeling in nieuwbouw, en dit zal het probleem van de piekvraag oplossen.)

Het probleem van Solar is dat het stroom opwekt volgens het schema van de zon, niet het jouwe. EV's hebben veel meer elektrische energie nodig, maar kunnen dit volgens het schema van de zon accepteren. De twee problemen werken om elkaar op te heffen. Als je de mogelijkheid toevoegt van airconditioners, verwarmingssystemen voor woningen en warmwatersystemen om verwarming en koeling te maken en op te slaan en later af te geven, is het alsof de problemen voor elkaar zijn gemaakt. Dit lost natuurlijk niet alles op - we zullen andere soorten opslag nodig hebben, en waarschijnlijk meer wind, kernenergie en geothermie. En we zullen onze aardgascentrales nog een tijdje gebruiken op de toppieken. Sommige mensen denken dat we zelfs de batterijen in EV's zullen gebruiken om op het hoogtepunt stroom terug te verkopen aan het net om dat te voorkomen. In de bovenstaande grafiek wordt de gele zonnelijn veel groter - in feite groter dan de piekvraag, maar dat creëert een groot probleem om 7 uur wanneer de zon ondergaat en plotseling al dat piekvermogen van niet-zonne-energie moet komen.

De manier waarop EV's de redding van het net zijn, is dat ze ons een hoop goedkope, groene zonnecapaciteit laten bouwen en ons vervolgens een plek geven om alle extra zonne-output van 's morgens tot 3 uur te plaatsen.

We zullen ook veel meer oplaadstekkers moeten installeren waar auto's van 8 uur tot 3 uur parkeren, wat een mix is ​​van werkplekken en huizen. Terwijl de nacht de meest geschikte tijd is, zal het goedkope zonne-energieoverschot in de ochtend zijn. Er moet nog veel worden gedaan, maar elektrische voertuigen, met hun flexibiliteit om de macht over te nemen, zullen deel uitmaken van de oplossing, niet van het probleem.