Původně publikoval NREL
Uvolnění hodnoty technologií elektrické mobility pro zvýšení efektivity a spolehlivosti napříč energetickým systémem
Vzhledem k tomu, že prodeje elektrických vozidel (EV) ve Spojených státech stále rostou, energetická síť současně zápasí s největší transformací ve své 100leté historii:rozsáhlou integrací obnovitelné energie a výkonových elektronických zařízení. Očekávané rozšíření elektromobilů přesune tyto výzvy na vyšší rychlost, což způsobí, že města budou čelit gigawattovému růstu poptávky po elektřině a vyššímu množství proměnlivé energie.
Koordinace velkého počtu elektromobilů s energetickým systémem představuje velmi složitou výzvu. Elektromobily zavádějí proměnlivé elektrické zatížení, které velmi závisí na chování zákazníků. Elektrifikovaná doprava zahrnuje kooptimalizaci s dalšími energetickými systémy, jako je zemní plyn a velkoobjemové bateriové úložiště. Mohlo by to zahrnovat flotily automatických elektromobilů s jízdou PDF a vedou k zastávkám nákladních vozidel s hybridní energií, které poskytují vodík a rychlé nabíjení těžkých nákladních vozidel.
Všechny tyto změny otestují limity integrace sítě, ale Národní laboratoř pro obnovitelné zdroje energie (NREL) vidí příležitost v průsečíku energetických systémů a dopravy. Díky výkonným zdrojům pro simulaci a vyhodnocování složitých systémů určuje několik projektů NREL koordinaci potřebnou pro rychlé nabíjení, vyrovnávání dodávky a poptávky po elektrické energii a efektivní využívání všech energetických aktiv.
Díky správným ovládacím prvkům vidí NREL mobilitu jako sílu pro flexibilitu sítě.
Abychom ocenili hodnotu koordinovaného nabíjení EV, je užitečné představit si opačný scénář.
„Naší první otázkou je, jak velký přínos nebo zátěž pro síť nabízí super jednoduchý, nekoordinovaný přístup k nabíjení elektromobilů,“ řekl Andrew Meintz, výzkumník vedoucí týmu NREL pro integraci elektrické sítě do sítě a také projektu RECHARGE pro chytré nabíjení EV. „Pak to porovnáme s přístupem ‚whiz-bang‘, všechno je propojeno. Chceme znát rozdíl v hodnotě.“
V „super jednoduchém“ přístupu Meintz vysvětlil, že podíl elektromobilů na baterie roste bez jakéhokoli vývoje v koordinaci nabíjení vozidel. Představte si, že každý zaměstnanec na vašem pracovišti jede domů v 17 hodin. a nabíjení jejich vozidla. To je v síti ekvivalent rychlosti z 0 na 100 mph, a pokud to nezničí systém, je to přinejmenším velmi drahé. Podle studie NREL Electrification Futures Study, komplexní analýzy dopadů rozšířené elektrifikace napříč všemi ekonomickými sektory USA, by elektromobily mohly v roce 2050 přispět k 33% nárůstu spotřeby energie během špičkové poptávky po elektřině – což jsou nákladné intervaly dne, kdy jsou zásoby energie obstaráno. V řeči kachních křivek budou elektromobily dále namáhat kachní krk.
Meintzův přístup „whiz-bang“ si místo toho představuje strategie řízení elektromobilů, které jsou promyšlené a slouží k vyhlazení, spíše než k zesílení, nadcházející poptávky po elektřině. Znamená to spravovat obojí kdy a kde vozidla se nabíjejí, aby se vytvořilo flexibilní zatížení sítě.
Výzkumníci NREL Andrew Meintz, Soumya Tiwari a Colin Tombari pracují v laboratoři Optical Characterization and Thermal Systems v zařízení Energy Systems Integration Facility. Pozice Integration Grid Electric Vehicle Grid Lab v laboratoři Optimization and Control Lab umožňují výzkumníkům určit, jak lze pokročilé vysokovýkonné nabíječky bezpečně a efektivně přidat do sítě, s potenciálem prozkoumat, jak kombinovat budovy a nabíjení elektromobilů. Fotografie od Dennise Schroedera, NREL
Výzkumníci NREL Andrew Meintz, Soumya Tiwari a Colin Tombari pracují v laboratoři Optical Characterization and Thermal Systems v zařízení Energy Systems Integration Facility. Pozice Integration Grid Electric Vehicle Grid Lab v laboratoři Optimization and Control Lab umožňují výzkumníkům určit, jak lze pokročilé vysokovýkonné nabíječky bezpečně a efektivně přidat do sítě, s potenciálem prozkoumat, jak kombinovat budovy a nabíjení elektromobilů. Fotografie od Dennise Schroedera, NREL
V NREL se vyvíjejí chytré strategie pro odbavení vozidel pro optimální nabíjení jak pro okraj sítě, kde se k síti připojují spotřebitelé i uživatelé energie, jako v RECHARGE PDF a celý distribuční systém, jako v projektu GEMINI-XFC PDF. Oba projekty, financované Úřadem pro automobilové technologie Ministerstva energetiky USA (DOE), se opírají o pokročilé možnosti nástroje pro integraci energetických systémů NREL pro simulaci budoucích energetických systémů.
Na okraji rozvodné sítě lze elektromobily kooptimalizovat s distribuovanými energetickými zdroji – technologiemi pro výrobu nebo skladování v malém měřítku – což je předmětem partnerství se společností Eaton, které přineslo pohledy z oboru na koordinovanou správu vozových parků elektromobilů.
https://youtu.be/vowQ4eFJVT0
Na úrovni většího systému projekt GEMINI-XFC rozšířil scénáře optimalizace EV na městské měřítko – konkrétně na oblast San Francisco Bay Area.
GEMINI-XFC zahrnuje dosud nejvěrnější modelování dopravy a sítě,“ řekl NREL Research Manager společnosti Grid-Connected Energy Systems Bryan Palmintier.
Kombinujeme budoucí dopravní scénáře s velkou společnou simulací metropolitní oblasti PDF – miliony simulovaných zákazníků a realistický model distribučního systému – k nalezení nejlepších přístupů k vozidlům, která pomáhají rozvodné síti.“
GEMINI-XFC a RECHARGE mohou předvídat budoucí scénáře elektrifikace a poté vložit ovládací prvky, které například snižují přetížení sítě nebo kompenzují špičkovou poptávku. Nabíjení elektromobilů zahrnuje jakousi hru, kde se náklady neustále přesouvají mezi nabíjecími stanicemi, aby vyhovovaly poptávce sítě.
U těžkých nákladních vozidel je ale náklad těžší skrýt. Elektrifikované vozové parky nákladních vozidel brzy vyrazí na silnice a vytvoří megawatty místní poptávky. Žádné množství přesměrování nemůže obejít požadavky na nabíjení těžkých nákladních vozidel nebo jiné případy extrémně rychlého nabíjení (XFC). Aby se NREL vypořádal s touto výzvou, spolupracuje s průmyslem a dalšími národními laboratořemi na studiu a demonstraci technologického rozvoje nezbytného k dosažení nabíjecích stanic o výkonu 1+ MW PDF, které jsou schopné rychlého nabíjení při velmi vysokých úrovních energie pro středně těžká a těžká vozidla.
Aby NREL dosáhl takového rozsahu, zvažuje také nový hardware pro konverzi energie založený na pokročilých materiálech, jako jsou polovodiče s širokým pásmovým odstupem, a také nové ovladače a algoritmy, které jsou jedinečně vhodné pro flotily vozidel vyžadujících nabíjení. Výzva integrovat nabíjení 1+ MW také posouvá výzkum NREL k vyššímu výkonu:Nadcházející schopnosti se zaměří na mnohomegawattové systémy, které jsou spojeny s podporou jiných energetických sektorů.
V NREL se snaha o větší požadavky na nabíjení setkává s většími výzkumnými možnostmi. Oznámení ARIES otevírá dveře výzkumu integrace energetických systémů v měřítku 10krát větším, než jsou současné možnosti:20 MW, oproti 2 MW. V zásadě představuje příležitost porozumět tomu, jak lze mobilitu s vysokou energetickou náročností společně optimalizovat s dalšími aktivy v měřítku užitkové sítě, aby byla přínosem pro stabilitu sítě.
Pokud máte síť hučící spolu se stálým zatížením, pak nákladní automobil potřebuje 500 kW nebo více energie, mohlo by to způsobit velké narušení sítě,“ řekl Keith Wipke, manažer laboratorního programu pro palivové články a vodíkové technologie. v NREL.
Taková vysoká spotřeba energie by mohla být částečně pokryta bateriovými úložnými systémy. Nebo by to mohlo být zcela skryto při výrobě vodíku. Wipkeův program s podporou oddělení vodíkových a palivových technologií DOE provádí studie o tom, jak by elektrolyzéry – zařízení, která využívají elektřinu k přeměně vody na vodík a kyslík – mohly kompenzovat dopady XFC na rozvodnou síť. Toto úsilí je také úzce spojeno s vizí H2@Scale společnosti DOE pro cenově dostupné a efektivní využití vodíku v různých odvětvích, včetně mimo jiné těžké dopravy, výroby energie a výroby kovů.
Výzkumníci NREL Rishabh Jain, Kazunori Nagasawa a Jen Kurtz pracují na tom, jak by integrace elektrolyzérů – zařízení, která využívají elektřinu k přeměně vody na vodík a kyslík – mohla kompenzovat dopady extrémně rychlého nabíjení na síť.
Simulujeme elektrolyzéry, které se vyrovnají nabíjecímu zatížení vysokovýkonných akumulátorových elektromobilů. Když začne rychlé nabíjení, elektrolyzéry se sníží. Když rychlé nabíjení skončí, elektrolyzéry se opět nastartují,“ řekl Wipke. "Pokud se to udělá hladce, nástroj ani neví, že se to děje."
Protože elektrolyzéry využívají levné elektrony z období mimo poptávku, lze na místě vyrobit značné množství vodíku. To vytváří přirozenou energetickou dráhu ze zlevněné elektřiny do paliva. Není proto divu, že několik známých dopravních a palivových společností nedávno zahájilo mnohamilionové partnerství s NREL za účelem rozvoje technologií těžkých vodíkových vozidel.
Logistika rozšiřování infrastruktury pro elektrické nabíjení z 50 kW pro jeden předváděcí bateriový elektrický nákladní vůz na 5 000 kW pro flotilu 100 by mohla představovat výzvy,“ řekl Wipke. „Vodíkové šupiny velmi pěkně; v podstatě přivádíte vodík do čerpací stanice nebo jej vyrábíte na místě, ale v obou případech jsou události čerpání vodíku časově odděleny od výroby vodíku, což přináší výhody pro síť.“
Dlouhý dojezd a rychlé časy doplňování paliva – včetně cíle DOE dosáhnout 10minutového natankování u nákladního vozu PDF – již učinily z vodíku výjimečné řešení pro aplikace ve skladových vysokozdvižných vozíkech. Dále NREL zjišťuje, že distribuované elektrolyzéry mohou současně produkovat vodík a zlepšovat napěťové podmínky, což může dodat tolik potřebnou stabilitu síti, která pojme více energie z proměnných zdrojů.
Tyto příklady, které spoluoptimalizují mobilitu s gridem pomocí různých technologií, povzbuzují společnost NREL a její partnery k tomu, aby usilovali o nový rozsah systémové integrace. Několik perspektivních projektů přetváří městskou mobilitu jako kombinaci energetických řešení, která integrují relativní silné stránky dopravních technologií, které se vzájemně doplňují, aby zaplnily důležité mezery ve spolehlivosti sítě.
Jak bude vypadat elektrifikovaná doprava při vysokých penetracích? Několik projektů NREL nabízí určitou perspektivu. Mezi ty nejexperimentálnější, NREL pomáhá městu Denver vyvinout chytrou komunitu, integrovanou s elektrifikovanou mobilitou a obsahující automatizované nabíjení a odbavení vozidel.
https://youtu.be/syMkqm4DTtw
Na další cestě k pokročilé mobilitě se Los Angeles pustilo do plánu modernizace infrastruktury svého elektrického systému – s cílem zajistit do roku 2045 100% dodávky obnovitelné energie spolu s agresivními cíli elektrifikace budov a vozidel. Prostřednictvím studie Los Angeles 100% Renewable Energy Study město aktuálně spolupracuje s NREL na posouzení dopadů přechodu v plném rozsahu v podrobné analýze, která integruje různé možnosti napříč laboratoří.
Přechod by zahrnoval přístav Long Beach, nejrušnější kontejnerový přístav ve Spojených státech.
V přístavu NREL používá stejný druh předpovědi scénářů a vyhodnocování kontrol jako jiné projekty, aby našel optimální kombinaci technologií, které lze integrovat jak pro stabilitu sítě, tak pro spolehlivou kvalitu služeb:směs vodíkového paliva- elektromobily s články a bateriemi, systémy pro ukládání baterií, obnovitelné zdroje energie na místě a extrémní koordinace mezi vším.
Vodík v přístavech má smysl ze stejného důvodu jako nákladní auta:Námořní aplikace mají velké nároky na energii a energii,“ řekl Wipke. „Ale jsou to skutečně synergie mezi různými technologiemi – stávající infrastrukturou pro elektromobily a flexibilitou velkoobjemových bateriových systémů – které skutečně umožní přechod na vysoce obnovitelné zdroje energie.“
Port of Long Beach využívá kombinaci elektromobilů s vodíkovými palivovými články a bateriemi, bateriových úložných systémů, obnovitelné energie na místě a extrémní koordinace mezi vším.
Stejně jako Port of Long Beach se dopravní uzly po celé zemi přizpůsobují složitému prostředí nových řešení mobility. Letiště a stanice veřejné dopravy zahrnují pohyb cestujících, zboží a služeb v objemu přesahujícím kdekoli jinde. S přechodem na digitálně propojenou elektrickou mobilitu, která mění způsob, jakým letiště plánují budoucnost, využívají projekty NREL, jako je Athena, výkon vysoce výkonných počítačů, aby demonstrovaly, jak mohou tyto uzly maximalizovat hodnotu mobility cestujících a nákladu na jednotku energie a času. a/nebo náklady.
Nárůst složitosti dopravních uzlů však právě začal. Do budoucna by flotily elektromobilů se sdílenou jízdou, automatizovaných vozidel a vozových parků automatických elektromobilů se sdílenou jízdou mohly představovat dosud největší úsilí o řízení mobility.
Pro pochopení plného dopadu budoucích poskytovatelů služeb mobility vyvinul NREL simulační rámec HIVE (Highly Integrated Vehicle Ecosystem). HIVE kombinuje faktory související s obsluhou potřeb mobility a provozu sítě – jako je ochota zákazníka spolujízda nebo zpoždění cesty a potenciálně časově proměnlivé náklady na dobíjení – a simuluje výsledek v integrovaném prostředí.
Naší otázkou je, jak optimalizujete správu vozového parku, jehož primárním účelem je poskytovat jízdy a zlepšit odbavení a nabíjení vozového parku? řekl Eric Wood, inženýr systémů vozidel NREL.
HIVE byl vyvinut jako součást výzkumu autonomních energetických systémů společnosti NREL za účelem optimalizace řízení automatizovaných vozových parků. Tedy optimalizované směrování a odesílání automatizovaných elektrických vozidel.
Projekt si představuje, jak by cenové signály mohly ovlivnit odbavovací algoritmy. Zvažte jednoho zákazníka, který si rezervuje dojíždění prostřednictvím aplikace pro jízdu. Které z blízkého vozového parku – různě nabitých a neustále se měnících míst – by mělo zákazníka vyzvednout?
Nyní zvažte pohyb tisíců cestujících ve městě a tisíce vozidel zajišťujících dopravní služby. Mezi množstvím agentů, okamžitou změnou v dodávce a poptávce po energii a širokou rozmanitostí technologií dodavatelů si „hrajeme s mnoha parametry,“ řekl Wood.
Ale přes veškerou složitost a uprostřed masivních simulací je konečný cíl pro integraci vozidla do sítě konzistentní:
Motivací pro naši práci je, že existují předpovědi významného zatížení sítě v důsledku elektrifikace dopravy,“ řekl Wood. „Chceme zajistit, aby tento náklad byl bezpečně a efektivně integrován a zároveň splnil očekávání a potřeby cestujících.“
Elektrická vozidla nemusejí nutně pomoci rozvodné síti, ale mohou být. Jak se elektrická vozidla etablují v dopravním sektoru, NREL studuje, jak vyrovnat všechny nerovnosti, které by elektrifikovaná mobilita mohla způsobit na rozvodné síti, a zvýšit výhody pro dojíždějící nebo průmysl.
Vše závisí na flexibilitě zatížení,“ řekl Meintz. "Snažíme se rozhodnout, jak optimálně nabíjet vozidla, abychom splnili požadavky na kvalitu služeb a zároveň minimalizovali náklady na nabíjení."
Aplikací flexibility elektrických vozidel v koordinaci s jinými energetickými doménami pomáhá NREL našemu energetickému systému překonat jeho největší přechod v historii.
Díky kombinaci prvotřídních zdrojů pro modelování a simulaci, experimentů ve velkém měřítku a strategických partnerství zajistí dnešní objevy NREL, že široce rozšířená elektrifikovaná mobilita dorazí hladce.
Zjistěte více o výzkumu NREL v oblasti dopravy, integrace elektrické sítě, vodíkových a palivových článků a integrace energetických systémů.
Vybraný obrázek:BMW i3 se nabíjí na rychlonabíjecích stanicích Electrify America, pozdě v noci, s laskavým svolením Cynthia Shahan, EVObsession
