Oorspronkelijk gepubliceerd door NREL
De waarde van technologieën voor elektrische mobiliteit ontsluiten om efficiëntie en betrouwbaarheid in het hele energiesysteem te stimuleren
Terwijl de verkoop van elektrische voertuigen (EV) in de Verenigde Staten blijft stijgen, kampt het elektriciteitsnet tegelijkertijd met de grootste transformatie in zijn 100-jarige geschiedenis:de grootschalige integratie van hernieuwbare energie en elektrische apparaten. De verwachte uitbreiding van EV's zal die uitdagingen in een hogere versnelling brengen, waardoor steden te maken krijgen met een gigawattgroei in de vraag naar elektriciteit en grotere hoeveelheden variabele energie.
Het coördineren van grote aantallen EV's met het stroomsysteem vormt een zeer complexe uitdaging. EV's introduceren variabele elektrische belastingen die sterk afhankelijk zijn van het gedrag van klanten. Geëlektrificeerd transport omvat co-optimalisatie met andere energiesystemen, zoals aardgas en bulkbatterijopslag. Het kan gaan om vloten van geautomatiseerde elektrische voertuigen pdf en leiden tot vrachtwagenstops op hybride energie die waterstof en snelladen voor zware voertuigen leveren.
Die veranderingen zullen allemaal de grenzen van netwerkintegratie op de proef stellen, maar het National Renewable Energy Laboratory (NREL) ziet kansen op het snijvlak van energiesystemen en transport. Met krachtige middelen voor het simuleren en evalueren van complexe systemen, bepalen verschillende NREL-projecten de coördinatie die nodig is voor snel opladen, het balanceren van vraag en aanbod van elektriciteit en efficiënt gebruik van alle energiebronnen.
Met de juiste bediening ziet NREL mobiliteit als een kracht voor netwerkflexibiliteit.
Om de waarde van gecoördineerd EV-laden te waarderen, is het handig om het tegenovergestelde scenario voor te stellen.
"Onze eerste vraag is hoeveel voordeel of last de supereenvoudige, ongecoördineerde benadering van het opladen van elektrische voertuigen biedt voor het elektriciteitsnet", zegt Andrew Meintz, de onderzoeker die het Electric Vehicle Grid Integration-team van NREL leidt, evenals het RECHARGE-project voor slim opladen van EV's. “Vervolgens vergelijken we dat met de ‘whiz-bang’-benadering van alles-is-verbonden. We willen het verschil in waarde weten.”
In de "supereenvoudige" benadering legde Meintz uit dat batterijaangedreven elektrische voertuigen in marktaandeel groeien zonder enige evolutie in de coördinatie van het opladen van voertuigen. Stel je voor dat elke medewerker op je werkplek om 17.00 uur naar huis rijdt. en hun voertuig opladen. Dat is het equivalent van het net van 0 tot 100 mph, en als het het systeem niet kapot maakt, is het op zijn minst erg duur. Volgens NREL's Elektrificatie Futures Study, een uitgebreide analyse van de effecten van wijdverbreide elektrificatie in alle Amerikaanse economische sectoren, in 2050 EV's zou kunnen bijdragen aan een 33% toename van het energieverbruik tijdens piek elektrische vraag - de kostbare intervallen van de dag waarop energiereserves zijn aangeschaft. In het spraakgebruik van eend zullen EV's de nek van de eend nog meer belasten.
Meintz's "whiz-bang" -aanpak verbeeldt in plaats daarvan EV-controlestrategieën die opzettelijk zijn en dienen om de opkomende vraag naar elektriciteit af te vlakken in plaats van te intensiveren. Het betekent het beheren van zowel wanneer en waar voertuigen laden op om een flexibele belasting op het net te creëren.
NREL-onderzoekers Andrew Meintz, Soumya Tiwari en Colin Tombari werken in het lab Optical Characterization and Thermal Systems in de Energy Systems Integration Facility. De Electric Vehicle Grid Integration bays van het Optimization and Control Lab stellen onderzoekers in staat om te bepalen hoe geavanceerde hoogvermogenladers veilig en effectief aan het elektriciteitsnet kunnen worden toegevoegd, met het potentieel om te onderzoeken hoe gebouwen en het opladen van elektrische voertuigen kunnen worden gecombineerd. Foto's door Dennis Schroeder, NREL
NREL-onderzoekers Andrew Meintz, Soumya Tiwari en Colin Tombari werken in het lab Optical Characterization and Thermal Systems in de Energy Systems Integration Facility. De Electric Vehicle Grid Integration bays van het Optimization and Control Lab stellen onderzoekers in staat om te bepalen hoe geavanceerde hoogvermogenladers veilig en effectief aan het elektriciteitsnet kunnen worden toegevoegd, met het potentieel om te onderzoeken hoe gebouwen en het opladen van elektrische voertuigen kunnen worden gecombineerd. Foto's door Dennis Schroeder, NREL
Bij NREL worden slimme strategieën ontwikkeld om voertuigen te sturen voor optimaal opladen, zowel voor de rand van het elektriciteitsnet, waar consumenten en energieverbruikers verbinding maken met het net, zoals in RECHARGE PDF en het volledige distributiesysteem, zoals in het GEMINI-XFC-project pdf. Beide projecten, gefinancierd door het Vehicle Technologies Office van het Amerikaanse Department of Energy (DOE's), steunen op geavanceerde mogelijkheden bij NREL's Energy Systems Integration Facility om toekomstige energiesystemen te simuleren.
Aan de rand van het elektriciteitsnet kunnen EV's worden geoptimaliseerd met gedistribueerde energiebronnen (kleinschalige opwekkings- of opslagtechnologieën), het onderwerp van een samenwerking met Eaton die de perspectieven van de sector op gecoördineerd beheer van EV-vloten bracht.
https://youtu.be/vowQ4eFJVT0
Op het grotere systeemniveau heeft het GEMINI-XFC-project de EV-optimalisatiescenario's uitgebreid naar de stadschaal - de San Francisco Bay Area, om specifiek te zijn.
GEMINI-XFC omvat de meest betrouwbare modellering van transport en het net”, zegt Bryan Palmintier, onderzoeksmanager van Grid-Connected Energy Systems bij NREL.
We combineren toekomstige transportscenario's met een co-simulatie van een groot stedelijk gebied PDF—miljoenen gesimuleerde klanten en een realistisch distributiesysteemmodel—om de beste benaderingen te vinden voor voertuigen die het elektriciteitsnet helpen.”
GEMINI-XFC en RECHARGE kunnen toekomstige elektrificatiescenario's voorzien en vervolgens bedieningselementen invoegen die bijvoorbeeld de congestie van het net verminderen of de piekvraag compenseren. Het opladen van EV's is een soort shell-game, waarbij ladingen voortdurend tussen laadstations worden verplaatst om aan de vraag naar het elektriciteitsnet te voldoen.
Maar voor zware voertuigen is de lading moeilijker te verbergen. Geëlektrificeerde vrachtwagenvloten zullen binnenkort de weg op gaan, waardoor megawatt aan lokale vraag ontstaat. Geen enkele herroutering kan de vereisten voor het opladen van zware voertuigen of andere gevallen van extreem snel opladen (XFC) vermijden. Om deze uitdaging aan te gaan, werkt NREL samen met de industrie en andere nationale laboratoria om de technologische ontwikkeling te bestuderen en te demonstreren die nodig is om 1+ MW-laadstations te realiseren PDF die in staat zijn om snel op te laden bij zeer hoge energieniveaus voor middelzware en zware voertuigen.
Om een dergelijke schaal te bereiken, overweegt NREL ook nieuwe hardware voor stroomconversie op basis van geavanceerde materialen zoals halfgeleiders met een brede bandgap, evenals nieuwe controllers en algoritmen die bij uitstek geschikt zijn voor vloten van laad-hongerige voertuigen. De uitdaging om 1+ MW opladen te integreren, duwt het NREL-onderzoek ook naar een hoger vermogen:aankomende mogelijkheden zullen kijken naar systemen van veel megawatt die de ondersteuning van andere energiesectoren ondersteunen.
Bij NREL wordt tegemoetgekomen aan het streven naar grotere laadbehoeften met grotere onderzoekscapaciteiten. De aankondiging van ARIES opent de deur naar onderzoek naar de integratie van energiesystemen op een schaal die 10 keer groter is dan de huidige capaciteit:20 MW, een stijging van 2 MW. Het is van cruciaal belang dat het een kans biedt om te begrijpen hoe mobiliteit met een hoge energiebehoefte kan worden geoptimaliseerd met andere middelen op nutsschaal om de stabiliteit van het net ten goede te komen.
Als je een net zoemt met een constante belasting, dan heeft een vrachtwagen 500 kW of meer vermogen nodig, wat een grote verstoring van het net kan veroorzaken”, zegt Keith Wipke, de programmamanager van het laboratorium voor brandstofcellen en waterstoftechnologieën. bij NREL.
Een dergelijk hoog stroomverbruik zou gedeeltelijk kunnen worden gedekt door batterijopslagsystemen. Of het kan volledig worden verborgen met waterstofproductie. Het programma van Wipke, met steun van het Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office van de DOE, heeft onderzoeken uitgevoerd naar hoe elektrolysers - apparaten die elektriciteit gebruiken om water in waterstof en zuurstof te breken - de netimpact van XFC kunnen compenseren. Deze inspanningen sluiten ook nauw aan bij DOE's H2@Scale-visie voor betaalbaar en effectief waterstofgebruik in meerdere sectoren, waaronder zwaar transport, energieopwekking en metaalproductie.
NREL-onderzoekers Rishabh Jain, Kazunori Nagasawa en Jen Kurtz onderzoeken hoe rasterintegratie van elektrolyzers - apparaten die elektriciteit gebruiken om water in waterstof en zuurstof te breken - de netimpact van extreem snel opladen kan compenseren.
We simuleren elektrolyzers die de laadbelasting van zware elektrische voertuigen op batterijen kunnen evenaren. Wanneer het snelladen begint, worden de elektrolysers afgebouwd. Wanneer het snelladen stopt, worden de elektrolysers weer opgevoerd, "zei Wipke. "Als het soepel wordt gedaan, weet het hulpprogramma niet eens dat het gebeurt."
Omdat elektrolyzers de goedkope elektronen uit off-demand-periodes benutten, kan een aanzienlijke hoeveelheid waterstof ter plaatse worden geproduceerd. Dat creëert een natuurlijk energiepad van goedkope elektriciteit naar een brandstof. Het is dan ook geen wonder dat verschillende bekende transport- en brandstofbedrijven onlangs een samenwerking van miljoenen dollars zijn aangegaan met NREL om de technologieën voor zware voertuigen op waterstof te bevorderen.
De logistiek om de infrastructuur voor elektrisch opladen uit te breiden van 50 kW voor een enkele elektrische vrachtwagen met demonstratiebatterij naar 5.000 kW voor een vloot van 100 zou een uitdaging kunnen zijn", aldus Wipke. “Waterstof schilfert heel mooi af; je brengt in feite waterstof naar een tankstation of produceert het ter plaatse, maar hoe dan ook worden de waterstoftankgebeurtenissen op tijd losgekoppeld van de waterstofproductie, wat voordelen oplevert voor het net."
Het lange rijbereik en de snelle tanktijden, inclusief een DOE-doelstelling van 10 minuten tanken voor een vrachtwagen PDF - hebben waterstof al tot de opvallende oplossing gemaakt voor toepassingen in magazijnheftrucks. Verder ontdekt NREL dat gedistribueerde elektrolyzers tegelijkertijd waterstof kunnen produceren en de spanningsomstandigheden kunnen verbeteren, wat de broodnodige stabiliteit kan toevoegen aan een netwerk dat meer energie uit variabele bronnen kan opnemen.
De voorbeelden die de mobiliteit samen met het netwerk optimaliseren, met behulp van diverse technologieën, moedigen NREL en zijn partners aan om een nieuwe schaal van systeemintegratie na te streven. Verschillende vooruitstrevende projecten herdenken stedelijke mobiliteit als een mix van energieoplossingen die de relatieve sterke punten van transporttechnologieën integreren, die elkaar aanvullen om belangrijke hiaten in de betrouwbaarheid van het net op te vullen.
Hoe ziet elektrisch vervoer eruit bij hoge penetraties? Enkele NREL-projecten bieden enig perspectief. Een van de meest experimentele is dat NREL de stad Denver helpt een slimme gemeenschap te ontwikkelen, geïntegreerd met elektrische mobiliteit en met geautomatiseerd opladen en voertuigdistributie.
https://youtu.be/syMkqm4DTtw
Op een andere weg naar geavanceerde mobiliteit is Los Angeles begonnen aan een plan om de infrastructuur van het elektriciteitssysteem te moderniseren - met het oog op een 100% hernieuwbare energievoorziening tegen 2045, samen met agressieve elektrificatiedoelstellingen voor gebouwen en voertuigen. Via de 100% Renewable Energy Study in Los Angeles werkt de stad momenteel samen met NREL om de volledige impact van de transitie te beoordelen in een gedetailleerde analyse waarin diverse mogelijkheden in het laboratorium zijn geïntegreerd.
De overgang omvat de haven van Long Beach, de drukste containerhaven in de Verenigde Staten.
In de haven past NREL dezelfde soort scenariovoorspelling en controle-evaluatie toe als andere projecten, om de optimale mix van technologieën te vinden die kunnen worden geïntegreerd voor zowel netstabiliteit als een betrouwbare servicekwaliteit:een mix van waterstofbrandstof- cel- en batterij-EV's, batterijopslagsystemen, hernieuwbare opwekking ter plaatse en extreme coördinatie tussen alles.
Waterstof in havens is om dezelfde reden zinvol als vrachtwagens:maritieme toepassingen hebben een grote vraag naar vermogen en energie, "zei Wipke. "Maar het zijn echt de synergieën tussen verschillende technologieën - de bestaande infrastructuur voor EV's en de flexibiliteit van bulkbatterijsystemen - die de overgang naar duurzame energie echt mogelijk zullen maken."
De haven van Long Beach maakt gebruik van een mix van waterstof-brandstofcel- en batterij-EV's, batterijopslagsystemen, on-site duurzame opwekking en extreme coördinatie tussen alles.
Net als de haven van Long Beach passen transportknooppunten in het hele land zich aan aan een complexe omgeving van nieuwe mobiliteitsoplossingen. Luchthavens en stations voor openbaar vervoer brengen passagiers, goederen en diensten met zich mee in een volume dat groter is dan waar dan ook. Nu de overgang naar digitaal verbonden elektrische mobiliteit verandert hoe luchthavens plannen voor de toekomst, gebruiken NREL-projecten zoals Athena de kracht van high-performance computing om aan te tonen hoe deze hubs de waarde van passagiers- en vrachtmobiliteit per eenheid van energie, tijd en tijd kunnen maximaliseren. , en/of kosten.
De groei in complexiteit voor transportknooppunten is echter nog maar net begonnen. Vooruitblikkend, kunnen wagenparken van EV's met gedeelde ritten, geautomatiseerde voertuigen en geautomatiseerde wagenparken met gedeelde EV's de grootste inspanning leveren om mobiliteit tot nu toe te beheren.
Om de volledige impact van toekomstige aanbieders van mobiliteitsdiensten te begrijpen, heeft NREL het simulatieraamwerk HIVE (Highly Integrated Vehicle Ecosystem) ontwikkeld. HIVE combineert factoren die te maken hebben met mobiliteitsbehoeften en netwerkactiviteiten, zoals de bereidheid van een klant om te carpoolen of reizen uit te stellen, en mogelijk tijdsafhankelijke oplaadkosten, en simuleert het resultaat in een geïntegreerde omgeving.
Onze vraag is:hoe optimaliseer je het beheer van een vloot waarvan het primaire doel is om ritten te bieden en de verzending en het opladen van die vloot te verbeteren?” zei Eric Wood, een NREL-ingenieur voor voertuigsystemen.
HIVE is ontwikkeld als onderdeel van het onderzoek naar Autonomous Energy Systems van NREL om de besturing van geautomatiseerde wagenparken te optimaliseren. Dat wil zeggen, geoptimaliseerde routering en verzending van geautomatiseerde elektrische voertuigen.
Het project stelt zich voor hoe prijssignalen de verzendalgoritmen kunnen beïnvloeden. Overweeg een klant die een woon-werkverkeer boekt via een ride-hailing-app. Van het wagenpark in de buurt - verschillende opgeladen en voortdurend wisselende locaties - welke moet de klant ophalen?
Kijk nu eens naar de bewegingen van duizenden passagiers in een stad en duizenden voertuigen die transportdiensten leveren. Onder het aantal agenten, de verandering van moment tot moment in vraag en aanbod van energie, en de brede diversiteit in leverancierstechnologieën, "spelen we met veel parameters", zei Wood.
Maar door alle complexiteit heen en te midden van enorme simulaties, is het einddoel voor voertuig-naar-net-integratie consistent:
De motivatie voor ons werk is dat er voorspellingen zijn voor een aanzienlijke belasting van het net door de elektrificatie van het transport”, aldus Wood. "We willen ervoor zorgen dat deze lading veilig en effectief wordt geïntegreerd en tegelijkertijd voldoet aan de verwachtingen en behoeften van passagiers."
Elektrische voertuigen zijn niet per se nuttig voor het elektriciteitsnet, maar dat kunnen ze wel. Naarmate EV's in de transportsector ingang vinden, bestudeert NREL hoe eventuele hobbels die elektrische mobiliteit op het elektriciteitsnet kan veroorzaken, kunnen worden weggenomen en voordelen voor pendelaars of de industrie kunnen vergroten.
Het komt allemaal neer op flexibiliteit bij het laden, "zei Meintz. "We proberen te beslissen hoe we het opladen van voertuigen optimaal kunnen sturen om te voldoen aan de kwaliteitsoverwegingen en tegelijkertijd de oplaadkosten te minimaliseren."
Door EV-flexibiliteit toe te passen in coördinatie met andere energiedomeinen, helpt NREL ons energiesysteem door de grootste transitie in de geschiedenis te komen.
Door een combinatie van modellerings- en simulatiebronnen van wereldklasse, experimenten op schaal en strategische partnerschappen, zullen de ontdekkingen die NREL vandaag doet ervoor zorgen dat wijdverbreide elektrische mobiliteit soepel aankomt.
Meer informatie over het onderzoek van NREL op het gebied van transport, integratie van EV-netwerken, waterstof en brandstofcellen en integratie van energiesystemen.
Uitgelichte afbeelding:BMW i3 wordt 's avonds laat opgeladen bij snellaadstations van Electrify America, met dank aan Cynthia Shahan, EVobsession
