Pubblicato originariamente da NREL
Sbloccare il valore delle tecnologie di mobilità elettrica per promuovere l'efficienza e l'affidabilità in tutto il sistema elettrico
Mentre le vendite di veicoli elettrici (EV) continuano a crescere negli Stati Uniti, la rete elettrica è in parallelo con la più grande trasformazione dei suoi 100 anni di storia:l'integrazione su larga scala di energia rinnovabile e dispositivi elettronici di potenza. La prevista espansione dei veicoli elettrici sposterà queste sfide a una marcia in più, costringendo le città ad affrontare una crescita di gigawatt nella domanda di elettricità e quantità maggiori di energia variabile.
Il coordinamento di un gran numero di veicoli elettrici con il sistema di alimentazione rappresenta una sfida estremamente complessa. I veicoli elettrici introducono carichi elettrici variabili che dipendono fortemente dal comportamento del cliente. Il trasporto elettrificato implica la co-ottimizzazione con altri sistemi energetici, come il gas naturale e lo stoccaggio di batterie sfuse. Potrebbe coinvolgere flotte di veicoli elettrici a chiamata automatica PDF e portano a fermate per camion a energia ibrida che forniscono idrogeno e ricarica rapida ai veicoli pesanti.
Tutti questi cambiamenti metteranno alla prova i limiti dell'integrazione della rete, ma il National Renewable Energy Laboratory (NREL) vede opportunità nell'intersezione tra sistemi energetici e trasporti. Con potenti risorse per la simulazione e la valutazione di sistemi complessi, diversi progetti NREL stanno determinando il coordinamento necessario per la ricarica rapida, il bilanciamento della domanda e dell'offerta elettrica e l'uso efficiente di tutte le risorse energetiche.
Con i giusti controlli, NREL vede la mobilità come una forza per la flessibilità della rete.
Per apprezzare il valore della ricarica coordinata dei veicoli elettrici, è utile immaginare lo scenario opposto.
"La nostra prima domanda è quanto vantaggio o onere offre alla rete l'approccio super semplice e non coordinato alla ricarica dei veicoli elettrici", ha affermato Andrew Meintz, il ricercatore che guida il team di integrazione della griglia per veicoli elettrici di NREL, nonché il progetto RECHARGE per la ricarica intelligente di veicoli elettrici. “Poi lo confrontiamo con l'approccio 'whiz-bang', tutto è connesso. Vogliamo conoscere la differenza di valore."
Nell'approccio "super semplice", Meintz ha spiegato che i veicoli elettrici alimentati a batteria crescono in quota di mercato senza alcuna evoluzione nel coordinamento della ricarica dei veicoli. Immagina ogni dipendente sul posto di lavoro che torna a casa alle 17:00. e ricaricare il proprio veicolo. Questo è l'equivalente della griglia di andare da 0 a 100 mph e, se non distrugge il sistema, è almeno molto costoso. Secondo l'Electrification Futures Study di NREL, un'analisi completa degli impatti dell'elettrificazione diffusa in tutti i settori economici degli Stati Uniti, nel 2050 i veicoli elettrici potrebbero contribuire a un aumento del 33% del consumo di energia durante il picco della domanda elettrica, i costosi intervalli della giornata in cui le riserve di energia sono procurato. Nel gergo della curva dell'anatra, i veicoli elettrici sforzeranno ulteriormente il collo dell'anatra.
L'approccio "whiz-bang" di Meintz immagina invece strategie di controllo dei veicoli elettrici che sono deliberate e servono a smussare, piuttosto che intensificare, la domanda imminente di elettricità. Significa gestire entrambi quando e dove i veicoli si caricano per creare un carico flessibile sulla rete.
I ricercatori NREL Andrew Meintz, Soumya Tiwari e Colin Tombari lavorano nel laboratorio di caratterizzazione ottica e sistemi termici presso l'Energy Systems Integration Facility. Le baie di integrazione della rete per veicoli elettrici del Laboratorio di ottimizzazione e controllo consentono ai ricercatori di determinare come è possibile aggiungere alla rete caricabatterie avanzati ad alta potenza in modo sicuro ed efficace, con il potenziale per esplorare come combinare edifici e ricarica di veicoli elettrici. Foto di Dennis Schroeder, NREL
I ricercatori NREL Andrew Meintz, Soumya Tiwari e Colin Tombari lavorano nel laboratorio di caratterizzazione ottica e sistemi termici presso l'Energy Systems Integration Facility. Le baie di integrazione della rete per veicoli elettrici del Laboratorio di ottimizzazione e controllo consentono ai ricercatori di determinare come è possibile aggiungere alla rete caricabatterie avanzati ad alta potenza in modo sicuro ed efficace, con il potenziale per esplorare come combinare edifici e ricarica di veicoli elettrici. Foto di Dennis Schroeder, NREL
Presso NREL, vengono sviluppate strategie intelligenti per inviare veicoli per una ricarica ottimale sia per il bordo della rete, dove i consumatori e gli utenti di energia si connettono alla rete, come in RECHARGE PDF e l'intero sistema di distribuzione, come nel progetto GEMINI-XFC PDF. Entrambi i progetti, finanziati dall'Ufficio per le tecnologie dei veicoli del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), si basano sulle capacità avanzate dell'Energy Systems Integration Facility di NREL per simulare i futuri sistemi energetici.
Ai margini della rete, i veicoli elettrici possono essere ottimizzati congiuntamente con le risorse energetiche distribuite (tecnologie di generazione o stoccaggio su piccola scala), oggetto di una partnership con Eaton che ha portato le prospettive del settore a influenzare la gestione coordinata delle flotte di veicoli elettrici.
https://youtu.be/vowQ4eFJVT0
A livello di sistema più ampio, il progetto GEMINI-XFC ha esteso gli scenari di ottimizzazione dei veicoli elettrici a scala cittadina, la San Francisco Bay Area, per essere precisi.
GEMINI-XFC comporta la modellazione più fedele di sempre dei trasporti e della rete", ha affermato Bryan Palmintier, responsabile della ricerca NREL di Grid-Connected Energy Systems.
Stiamo combinando scenari di trasporto futuri con una co-simulazione di un'ampia area metropolitana PDF, milioni di clienti simulati e un modello realistico del sistema di distribuzione, per trovare gli approcci migliori ai veicoli che aiutano la rete."
GEMINI-XFC e RECHARGE possono prevedere scenari futuri di elettrificazione e quindi inserire controlli che riducono la congestione della rete o compensano, ad esempio, i picchi di domanda. La ricarica di veicoli elettrici comporta una sorta di gioco di conchiglie, in cui i carichi vengono continuamente spostati tra le stazioni di ricarica per soddisfare la domanda di rete.
Ma per i veicoli pesanti, il carico è più difficile da nascondere. Le flotte di camion elettrificati entreranno presto in strada, creando megawatt di domanda localizzata. Nessuna quantità di reindirizzamento può evitare i requisiti di ricarica di veicoli pesanti o altri casi di ricarica rapida estrema (XFC). Per affrontare questa sfida, NREL sta lavorando con l'industria e altri laboratori nazionali per studiare e dimostrare la costruzione tecnologica necessaria per ottenere stazioni di ricarica da 1+ MW PDF che sono in grado di ricaricare rapidamente a livelli di energia molto elevati per veicoli medi e pesanti.
Per raggiungere una tale scala, NREL sta anche considerando un nuovo hardware di conversione di potenza basato su materiali avanzati come semiconduttori a banda larga, così come nuovi controller e algoritmi che sono particolarmente adatti per flotte di veicoli affamati di carica. La sfida di integrare la ricarica di 1+ MW sta anche spingendo la ricerca NREL a una potenza più elevata:le prossime capacità prenderanno in considerazione sistemi da molti megawatt che si legano al supporto di altri settori energetici.
In NREL, la spinta verso richieste di ricarica più grandi viene soddisfatta con capacità di ricerca più ampie. L'annuncio di ARIES apre le porte alla ricerca sull'integrazione dei sistemi energetici su una scala 10 volte superiore alle capacità attuali:20 MW, rispetto a 2 MW. Fondamentalmente, offre l'opportunità di comprendere come la mobilità con un elevato fabbisogno energetico può essere ottimizzata congiuntamente con altre risorse su scala industriale a vantaggio della stabilità della rete.
Se hai una griglia che ronza insieme a un carico costante, allora un camion richiede 500 kW o più di potenza, potrebbe creare una grande interruzione per la rete", ha affermato Keith Wipke, responsabile del programma di laboratorio per le celle a combustibile e le tecnologie dell'idrogeno a NREL.
Una richiesta di energia così elevata potrebbe essere parzialmente soddisfatta dai sistemi di accumulo della batteria. Oppure potrebbe essere completamente nascosto con la produzione di idrogeno. Il programma di Wipke, con il supporto dell'Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office del DOE, ha condotto studi su come gli elettrolizzatori, dispositivi che utilizzano l'elettricità per trasformare l'acqua in idrogeno e ossigeno, potrebbero compensare gli impatti sulla rete dell'XFC. Questi sforzi sono anche strettamente allineati con la visione H2@Scale del DOE per un uso conveniente ed efficace dell'idrogeno in più settori, inclusi i trasporti pesanti, la produzione di energia e la produzione di metalli, tra gli altri.
I ricercatori di NREL Rishabh Jain, Kazunori Nagasawa e Jen Kurtz stanno lavorando su come l'integrazione nella rete degli elettrolizzatori, dispositivi che utilizzano l'elettricità per trasformare l'acqua in idrogeno e ossigeno, potrebbe compensare l'impatto sulla rete di una ricarica rapida estrema.
Stiamo simulando elettrolizzatori che possono eguagliare il carico di carica di veicoli elettrici a batteria per impieghi gravosi. Quando inizia la ricarica rapida, gli elettrolizzatori vengono ridotti. Al termine della ricarica rapida, gli elettrolizzatori vengono riavviati", ha affermato Wipke. "Se fatto senza intoppi, l'utilità non sa nemmeno che sta succedendo."
Poiché gli elettrolizzatori sfruttano gli elettroni a basso costo dei periodi di bassa domanda, una quantità significativa di idrogeno può essere prodotta in loco. Ciò crea un percorso energetico naturale dall'elettricità ridotta a un combustibile. Non c'è da stupirsi, quindi, che diverse famose società di trasporti e carburanti abbiano recentemente avviato una partnership multimilionaria con NREL per far progredire le tecnologie dei veicoli a idrogeno per impieghi gravosi.
La logistica dell'espansione dell'infrastruttura di ricarica elettrica da 50 kW per un singolo camion elettrico a batteria dimostrativa a 5.000 kW per una flotta di 100 potrebbe presentare sfide", ha affermato Wipke. “L'idrogeno scala molto bene; fondamentalmente stai portando idrogeno a una stazione di servizio o producendolo in loco, ma in entrambi i casi gli eventi di rifornimento di idrogeno sono disaccoppiati nel tempo dalla produzione di idrogeno, fornendo vantaggi alla rete. "
La lunga autonomia e i rapidi tempi di rifornimento, incluso l'obiettivo del DOE di raggiungere 10 minuti di rifornimento per un camion PDF—hanno già reso l'idrogeno la soluzione eccezionale per le applicazioni nei carrelli elevatori da magazzino. Inoltre, NREL sta scoprendo che gli elettrolizzatori distribuiti possono contemporaneamente produrre idrogeno e migliorare le condizioni di tensione, il che può aggiungere la stabilità tanto necessaria a una griglia che accoglie più energia da risorse variabili.
Quegli esempi che ottimizzano la mobilità con la rete, utilizzando diverse tecnologie, stanno incoraggiando NREL ei suoi partner a perseguire una nuova scala di integrazione dei sistemi. Diversi progetti lungimiranti stanno reinventando la mobilità urbana come un mix di soluzioni energetiche che integrano i relativi punti di forza delle tecnologie di trasporto, che si completano a vicenda per colmare importanti lacune nell'affidabilità della rete.
Come sarà il trasporto elettrificato ad alte penetrazioni? Alcuni progetti NREL offrono una prospettiva. Tra i più sperimentali, NREL sta aiutando la città di Denver a sviluppare una comunità intelligente, integrata con la mobilità elettrificata e dotata di ricarica automatizzata e spedizione di veicoli.
https://youtu.be/syMkqm4DTtw
Su un altro percorso verso la mobilità avanzata, Los Angeles ha intrapreso un piano per modernizzare la propria infrastruttura del sistema elettrico, puntando a una fornitura di energia rinnovabile al 100% entro il 2045, insieme a obiettivi di elettrificazione aggressivi per edifici e veicoli. Attraverso il Los Angeles 100% Renewable Energy Study, la città sta attualmente collaborando con NREL per valutare gli impatti su vasta scala della transizione in un'analisi dettagliata che integra diverse capacità in tutto il laboratorio.
La transizione includerebbe il porto di Long Beach, il porto per container più trafficato degli Stati Uniti.
Al porto, NREL sta applicando lo stesso tipo di previsione di scenario e valutazione dei controlli di altri progetti, al fine di trovare il mix ottimale di tecnologie che possono essere integrate sia per la stabilità della rete che per un'affidabile qualità del servizio:un mix di combustibile a idrogeno- veicoli elettrici a celle e batterie, sistemi di accumulo della batteria, generazione rinnovabile in loco e coordinamento estremo tra tutto.
L'idrogeno nei porti ha senso per lo stesso motivo dei camion:le applicazioni marine richiedono grande potenza ed energia", ha affermato Wipke. "Ma sono davvero le sinergie tra diverse tecnologie, l'infrastruttura esistente per i veicoli elettrici e la flessibilità dei sistemi di batterie sfuse, che renderanno davvero possibile la transizione verso un'elevata energia rinnovabile".
Il porto di Long Beach utilizza un mix di celle a combustibile a idrogeno e veicoli elettrici a batteria, sistemi di accumulo della batteria, generazione rinnovabile in loco e coordinamento estremo tra tutto.
Come il porto di Long Beach, gli snodi di trasporto in tutta la nazione si stanno adattando a un ambiente complesso di nuove soluzioni di mobilità. Gli aeroporti e le stazioni di trasporto pubblico comportano il movimento di passeggeri, merci e servizi a un volume superiore a qualsiasi altro luogo. Con la transizione alla mobilità elettrica connessa digitalmente che cambia il modo in cui gli aeroporti pianificano il futuro, progetti NREL come Athena utilizzano la potenza del calcolo ad alte prestazioni per dimostrare come questi hub possono massimizzare il valore della mobilità di passeggeri e merci per unità di energia, tempo , e/o costo.
Tuttavia, la crescita della complessità degli hub di trasporto è appena iniziata. Guardando al futuro, le flotte di veicoli elettrici con condivisione di corse, veicoli automatizzati e flotte di veicoli elettrici con condivisione di corse automatizzate potrebbero rappresentare lo sforzo maggiore per gestire la mobilità finora.
Per comprendere l'impatto completo dei futuri fornitori di servizi di mobilità, NREL ha sviluppato il framework di simulazione HIVE (Highly Integrated Vehicle Ecosystem). HIVE combina i fattori relativi al soddisfare le esigenze di mobilità e le operazioni di rete, come la disponibilità di un cliente a fare il carpooling o ritardare il viaggio e i costi di ricarica potenzialmente variabili nel tempo, e simula il risultato in un ambiente integrato.
La nostra domanda è:come si ottimizza la gestione di una flotta il cui scopo principale è fornire corse e migliorare la spedizione e la ricarica di quella flotta?" ha affermato Eric Wood, un ingegnere di sistemi per veicoli NREL.
HIVE è stato sviluppato nell'ambito della ricerca sui sistemi energetici autonomi di NREL per ottimizzare il controllo delle flotte di veicoli automatizzati. Ovvero, instradamento e spedizione ottimizzati di veicoli elettrici automatizzati.
Il progetto immagina come i segnali di prezzo potrebbero influenzare gli algoritmi di spedizione. Considera un cliente che prenota un tragitto giornaliero tramite un'app di chiamata. Tra la flotta di veicoli nelle vicinanze, varie località a pagamento e in continua evoluzione, quale dovrebbe venire a prendere il cliente?
Consideriamo ora i movimenti di migliaia di passeggeri in una città e migliaia di veicoli che forniscono servizi di trasporto. Tra il numero di agenti, il cambiamento di momento in momento nell'offerta e nella domanda di energia e l'ampia diversità nelle tecnologie dei fornitori, "stiamo giocando con molti parametri", ha affermato Wood.
Ma superando tutta la complessità e nel mezzo di enormi simulazioni, l'obiettivo finale dell'integrazione da veicolo a rete è coerente:
La motivazione del nostro lavoro è che ci sono previsioni per un carico significativo sulla rete dovuto all'elettrificazione dei trasporti", ha affermato Wood. "Vogliamo garantire che questo carico sia integrato in modo sicuro ed efficace, soddisfacendo al contempo le aspettative e le esigenze dei passeggeri".
I veicoli elettrici non sono necessariamente utili alla rete, ma possono esserlo. Man mano che i veicoli elettrici si affermano nel settore dei trasporti, NREL sta studiando come compensare eventuali urti che la mobilità elettrificata potrebbe causare sulla rete e promuovere eventuali vantaggi per i pendolari o l'industria.
Tutto si riduce alla flessibilità del carico", ha affermato Meintz. "Stiamo cercando di decidere come inviare in modo ottimale la ricarica dei veicoli per soddisfare le considerazioni sulla qualità del servizio, riducendo al minimo i costi di ricarica."
Applicando la flessibilità dei veicoli elettrici in coordinamento con altri domini energetici, NREL sta aiutando il nostro sistema elettrico ad attraversare la sua più grande transizione della storia.
Attraverso una combinazione di risorse di modellazione e simulazione di livello mondiale, esperimenti su vasta scala e partnership strategiche, le scoperte che NREL fa oggi garantiranno che la mobilità elettrificata diffusa arrivi senza intoppi lungo la strada.
Ulteriori informazioni sulla ricerca di NREL nei trasporti, integrazione della rete elettrica, idrogeno e celle a combustibile e integrazione dei sistemi energetici.
Immagine in primo piano:BMW i3 in carica presso le stazioni di ricarica rapida Electrify America, a tarda notte, per gentile concessione di Cynthia Shahan, EVObsession
