Электрическая мобильность быстро становится новой нормой, и с каждым днем все больше водителей переходят на электромобили. Растут и объемы потребления электроэнергии зарядными станциями для электротранспорта. В прошлом году продажи электромобилей выросли на 65 процентов в Европе и более чем вдвое в США по сравнению с 2020 годом.
За последние несколько лет разработка технологии подключаемых к сети электромобилей (PEV) приобрела огромную популярность. Недавние исследования показывают, что если бы электромобили вытеснили половину всех транспортных средств на дорогах, им потребовалось бы всего 8%-ное увеличение выработки электроэнергии. Подобные результаты помогают стимулировать дальнейшее развитие PEV.
Несмотря на это небольшое увеличение выработки, неконтролируемая зарядка, особенно в пиковые летние часы, может привести к перегрузке существующей энергосистемы.
В будущем количество электромобилей во всем мире будет увеличиваться в экспоненциальных масштабах, при этом нужно учитывать, что электромобили увеличат общий спрос на электроэнергию и потребуют масштабной модернизации инфраструктуры передачи и распределения электроэнергии.
В данной статье мы рассматриваем перспективы использования двунаправленных зарядных устройств для электромобилей (Vehicle-to-Grid) совместно с солнечными (фотоэлектрическими) системами.
При двунаправленной зарядке солнечная энергия от фотоэлектрической системы накапливается в электромобилях и возвращается в домашнюю сеть в вечерние часы или когда это необходимо для работы бытовых приборов.
Эта технология позволяет защитить окружающую среду, сэкономить финансовые ресурсы, а также позволяет создать дополнительные стимулы для перехода на экологически чистые электромобили.
В статье мы обсуждаем применение электромобилей в интеллектуальных электрических сетях (Smart-grid).
Применение двунаправленных зарядных устройств для электромобилей
В настоящее время все больше водителей открывают для себя преимущества электрической мобильности и удобство зарядки дома. Неудивительно, что все больше людей интересуются возможностями интеллектуальной зарядки электромобилей с набором интеллектуальных функций, которые могут оптимизировать процесс зарядки.
Хотя популярность электромобиля бесспорна, его аккумулятор по-прежнему рассматривается скорее как недостаток, чем как актив.
Но что, если бы аккумулятор в электромобиле не только расходовал энергию, но и мог бы стать накопителем и источником для получения энергии? Это станет возможным благодаря интеллектуальным функциям зарядки.
Эти новые технологии имеют большие перспективы, поскольку они могут полностью изменить принципы работы электрических сетей и использования электромобилей.
Аккумулятор электромобиля – как актив
Статистические данные говорят о том, что в среднем автомобиль проводит за рулем всего 4 процента своего времени. Оставшиеся 96% времени автомобили стоят на стоянке. Это означает, что автомобили в основном находятся без дела большую часть дня.
В отличие от автомобилей с двигателем внутреннего сгорания, электромобили имеют большую батарею, которая может хранить значительное количество электрической энергии. Эту емкость батареи можно использовать для хранения электрической энергии из сети для обеспечения дополнительной мощности, чтобы сбалансировать колебания в потреблении энергии.
Интеллектуальное зарядное устройство позволяет использовать аккумуляторы электромобилей для обеспечения двунаправленной связи между транспортным средством и электрической сетью (технология Vehicle-to-grid, V2G). Такое зарядное устройство позволяет электромобилю временно возвращать электроэнергию в электрическую сеть в зависимости от спроса на электроэнергию в определенный момент.
Это большое преимущество для энергосистемы, которая может использовать аккумуляторы электромобилей для удовлетворения пикового спроса на электроэнергию без необходимости увеличения производства электроэнергии. Это также важный инструмент для сглаживания колебаний производства возобновляемой энергии за счет компенсации периодов, когда не светит солнце или не дует ветер.
По мере роста и развития электрической мобильности энергосистеме придется адаптироваться к экспоненциальному увеличению количества электромобилей, которые необходимо будет заряжать, как от сетей индивидуальных потребителей, так и от сетей коммерческих организаций.
Двунаправленное зарядное устройство (Vehicle To Grid, V2G) помогает сместить нагрузку на электрические сети, обеспечивая временный резерв мощности, который может возвращать энергию обратно в сеть для сглаживания пиков спроса.
Чем больше водители электромобилей будет соглашаться поставлять энергию обратно в электрическую сеть, тем легче электросистеме будет удовлетворять пики спроса. Таким образом, электросетевая компания может свести к минимуму крупные инвестиции в более мощную инфраструктуру и оборудование.
Растущий спрос на подключаемые электромобили и многие другие технологии, требующие электрической энергии, можгут увеличить нагрузку на электрические сети на 38% к 2050 году
Преимущества использования двунаправленных зарядных устройств для владельцев электромобилей
Владельцы электромобилей также могут получить выгоду от подачи электроэнергии в электрическую сеть несколькими способами.
Владелец электромобиля может напрямую получать стимулы от электросетевой компании. Например, можно разработать положение, по которому владелец электромобиля мог бы получать компенсацию за электроэнергию, которую он отдает обратно в электрическую сеть или мог бы получить скидку на тарифы на электроэнергию.
На данный момент уже существует возможность оплачивать электроэнергию по дифференцированному тарифу. Более высокий тариф приходится в часы пик, когда спрос на электроэнергию выше, и электросетевой компании необходимо увеличить производство электроэнергии.
Во время этих пиков применение двунаправленной зарядки для электромобиля может стать решающим инструментом для снижения нагрузки на сеть, действуя как распределенное решение для хранения, уменьшая объем необходимой выработки электроэнергии и, следовательно, затраты на электроэнергию.
Электрическая энергия от аккумулятора электромобиля может также использоваться для питания дома, а не возвращаться обратно в электрическую сеть. Подавляющее большинство ежедневных поездок на работу не занимает много времени, а это означает, что владельцу электромобиля, скорее всего, не понадобится каждый день полная батарея.
Транспортное средство для дома дает домовладельцам контроль над потреблением энергии, позволяя им переносить часть энергии, которую они используют, из сети в непиковые периоды, когда цены на энергию ниже.
Когда человек находится дома, его электромобиль заряжается. В это время в доме включено много электроприборов, и он потребляет большое количество электроэнергии из сети.
С двунаправленным зарядным устройством можно использовать часть энергии, хранящейся в электромобиле для питания электроприборов, уменьшая мощность, потребляемую из сети.
После того как электроприборы будут выключены, аккумулятор электромобиля будет заряжен электрической энергией из сети ночью, воспользовавшись более низким тарифом в непиковые периоды.
Таким образом, можно напрямую уменьшить свой счет за электроэнергию, переместив часть используемой мощности, когда доступны более дешевые тарифы. Это может быть чрезвычайно выгодно, так как пиковое потребление в среднем дома составляет от 5 до 15 кВт.
Полностью заряженный автомобильный аккумулятор емкостью от 30 до 100 кВт?ч теоретически может обеспечить работу в течение нескольких дней.
Он также может выступать в качестве резервного источника энергии в случае отключения электроэнергии, позволяя обеспечить питание дома без генератора или аккумуляторной батареи. Благодаря ему, домовладельцы получают недорогую электрическую энергию, а также большую независимость в электроснабжении.
Помимо экономии финансовых средств, двунаправленное зарядное устройство также является способом предотвращения токовых перегрузок, предоставляя дополнительный источник энергии, если спрос на электроэнергию превышает мощность, которую может обеспечить электрическая сеть.
Интеграция солнечной энергии с электромобилями
Двунаправленное зарядное устройство для электромобиля может еще больше улучшить использование энергии в доме, если с помощью солнечных батарей будет вырабатываться дополнительная солнечная энергия.
Солнечные (фотоэлектрические) панели генерируют электрическую энергию только тогда, когда светит солнце, чего может не быть в то время, когда потребляется больше всего энергии.
Например, можно использовать больше электроэнергии вечером при приготовлении ужина после захода солнца. С транспортным средством для дома можно хранить возобновляемую энергию, которая генерируется с помощью солнечных панелей, используя ее для зарядки электромобиля в течение дня, а затем использовать часть этой энергии ночью для удовлетворения потребностей в электроэнергии.
Таким образом, электромобиль будет питать дом ночью, и электроэнергию не нужно покупать будет покупать в электросетевой компании. Всегда можно установить пороговый уровень заряда батареи, чтобы электромобиль сохранял достаточный заряд на следующий день и никогда не использовал больше энергии, чем необходимо для планируемых поездок.
Cолнечная энергия также поможет сократить потребность в капитальных затратах на модернизацию инфраструктуры передачи и распределения электрической энергии в связи с дополнительным спросом на зарядку электромобилей. Как правило, спрос на электроэнергию возрастает около 7 часов утра, остается относительно стабильным, а затем снова увеличивается около 8 часов вечера, достигая пика около 9 часов вечера.
По мере того как в электросистему будет интегрироваться больше солнечных электростанций в общий энергетический баланс, спрос на электроэнергию из традиционных источников (тепловых, ядерных и гидро) будет снижаться в дневное время, так как солнечная энергия вырабатывает электроэнергию между восходом и заходом солнца.
Основная проблема для интеграции возобновляемых источников энергии в энергосистему заключается в быстром наращивании мощности электростанций в вечерние часы для поддержания баланса спроса и предложения.
Установки, обеспечивающие базовую нагрузку, работают в течение всего дня, а установки, обеспечивающие промежуточную и пиковую нагрузку, работают только в течение части дня.
Быстрый разгон и остановка-пуск электростанций приводит к неэффективности и дороговизне. Таким образом, любое решение для смягчения пиков и спадов и выравнивания нагрузки будет способствовать интеграции все большего количества возобновляемой энергии в энергосистему.
Интеграция солнечной энергии с электромобилями
Преимущества распределенной солнечной энергии для внедрения электромобилей
Распределенная солнечная энергия имеет значительные преимущества помимо интеграции все большего количества возобновляемых источников энергии в структуру производства электроэнергии, чтобы сделать электромобили более экологичными и экономически жизнеспособными.
Поскольку распределенная генерация помогает снизить потери мощности при передаче и распределении (энергия генерируется рядом с точкой потребления, следовательно, меньшие потери), электромобили станут более экологичными и экономически выгодными с точки зрения совокупной стоимости владения.
Также распределенная генерация будет способствовать сокращению капитальных затрат, необходимых для модернизации инфраструктуры передачи и распределения.
Солнечное зарядное устройство - это решение для зарядки электромобилей, предназначенное для широкого круга парковок на рабочих местах и в местах назначения, таких как офисы, торговые точки и места отдыха
В качестве примера рассмотрим небольшое офисное здание. Пиковая нагрузка составляет ~13 кВт, и в офисе работает около 60 сотрудников. Электроснабжение офиса осуществляется с помощью распределительного устройства мощностью 25 кВА.
Даже если 10% сотрудников перейдут на электромобили и возникнет ситуация, когда все они будут заряжать свои автомобили одновременно, даже зарядная нагрузка в 3 кВт на автомобиль увеличит пиковую нагрузку до 31 кВт, и существующее распределительное устройство такой нагрузки не выдержит.
Однако, благодаря солнечной электростанции мощностью 15 кВт, установленной на крыше офиса, можно легко обеспечить переход около 10% сотрудников на электромобили без модернизации питающих электрических сетей.
Эта проблема станет намного более серьезной, если оценить нагрузку, которую зарядка электромобиля вызовет на распределительных устройствах большей мощности и капиталовложениях, необходимых для их модернизации.
Такая нагрузка на сеть также должна быть решена с помощью технических достижений, таких, как сетевая инфраструктура зарядки, чтобы распределять доступную мощность поровну между всеми автомобилями, подключенными к сети зарядки.
Действующие примеры использования двунаправленной зарядки для электромобилей
До сих пор большинство установок двунаправленной зарядки для электромобилей все еще находятся на экспериментальной стадии или представляют собой небольшие проекты, предназначенные для обеспечения энергией определенного места или объекта.
Тем не менее, интерес к новой технологии быстро вырос в последние годы, и в настоящее время существует 103 проекта использования таких зарядных устройств в 24 разных странах.
Европейский рынок показал себя наиболее восприимчивым к технологиям V2G прежде всего в рамках различных научно-исследовательских проектов. Основными рынками являются Франция, Великобритания, Нидерланды и Германия.
На североамериканском рынке лидером является Канада. США также имеют тенденцию быть сильным рынком в этом сегменте.
Для остального мира основные возможности сгруппированы в Японии, Китае и Южной Корее. Китай также имеет относительно закрытый энергетический рынок. Тем не менее, он отвечает за второй по величине автомобильный рынок в мире и большую концентрацию электромобилей в некоторых из его городов (что будет пропорционально способствовать большому количеству единиц V2G, когда их рынок начнет свою работу).
Интересным примером является стадион Йохана Кройфа в Амстердаме, домашняя арена АФК «Аякс», который позволяет посетителям активно участвовать в энергоснабжении стадиона с помощью своих электромобилей, интеллектуально интегрируя их в энергосистему стадиона.
Стадион Йохана Кройфа в Амстердаме
Некоторые производители уже начали разрабатывать двунаправленные зарядные устройства для своих электромобилей, например, таких как Ford F-150 Lightning и Nissan Leaf. Однако функции двунаправленной зарядки работают только с этими моделями, специальными зарядными станциями и программным обеспечением.
Nissan использует технологию Vehicle To Grid
В сотрудничестве с Fermata Energy, компанией по производству систем для подключения транспортных средств к сети, Nissan North America запустила новую пилотную программу в рамках инициативы Nissan Energy Share, которая использует технологию двунаправленной зарядки электромобилей для частичного обеспечения электроэнергией своей штаб-квартиры в Северной Америке во Франклине, штат Теннесси.
Отсутствие стандартных двунаправленных протоколов зарядки электромобилей и типов разъемов влияют на массовое распространение двунаправленных зарядных станций. Ожидается, что такие зарядные станции для электромобилей будут широко доступны в течение следующих 3-5 лет.
Безопасность двунаправленной зарядной станции для аккумуляторной батареи
Важной проблемой для любой аккумуляторной батареи, особенно для электромобилей, является их долговечность. Все водители хотят, чтобы их транспортные средства прослужили им много лет и решающим аспектом которых является производительность аккумулятора.
Как и многие другие компоненты, аккумулятор электромобиля изнашивается по мере использования: с каждым циклом зарядки аккумулятор немного ухудшается, что со временем может уменьшить количество энергии, которое он может удерживать, и, следовательно, запас хода автомобиля. Однако скорость, с которой это происходит, невероятно низка — потеря емкости батареи электромобиля оценивается примерно в 2 - 3 процента в год.
Это означает, что электромобиль с начальным запасом хода 240 км потеряет только около 27 км доступного запаса хода после пяти лет использования.
На практике хранение батареи полностью заряженной и неиспользованной в течение длительного времени хуже для ее долговечности, чем обычное повседневное использование. Вот почему большинство производителей рекомендуют поддерживать уровень заряда батареи от 20 до 80 процентов для поддержания оптимальной эффективности.
Исследования подтвердили это, проанализировав деградацию батареи электромобиля при подаче энергии обратно в сеть с использованием двунаправленных аккумуляторных зарядных устройств. Они обнаружили, что при использовании интеллектуального алгоритма, контролирующего зарядку, не происходит существенной дополнительной потери емкости аккумулятора по сравнению с обычным вождением.
Выводы
Хотя технология двунаправленной зарядки электромобилей все еще находится в разработке, в будущем она может стать важной функцией зарядки электромобилей благодаря своим многочисленным преимуществам как для энергосистемы, так и для водителей электромобилей.
Для домовладельцев такое зарядное устройство при совместной работе с солнечными панелями позволит легко управлять потоком электроэнергии в их домах, получая независимость от оператора электрической сети.
Комбинация зарядного устройства и солнечных панелей также будет способствовать устойчивому производству энергии, обеспечивая эффективное хранение и использование возобновляемой энергии в доме.
Интеграция возобновляемых источников энергии сделает электромобили действительно более экологичными, чем автомобили, работающие на обычном топливе.
Распределенная солнечная энергия поможет снизить потери при передаче и распределении электроэнергии, а также сократить эксплуатационные расходы электромобилей и ускорить их коммерческую осуществимость.
Распределенная солнечная энергия также поможет сократить потребность в капитальных затратах на модернизацию инфраструктуры передачи и распределения в связи с дополнительным спросом на зарядку электромобилей.
По мере роста количества электромобилей на дорогах обществам во всем мире необходимо будет найти способы эффективного управления потреблением электроэнергии и удовлетворения растущего спроса.
Более широкое внедрение электромобилей в сочетании с правильной структурой тарифов на электроэнергию даст возможность сгладить профиль нагрузки, хотя бы частично, и поможет интегрировать больше возобновляемых источников энергии в общую структуру энергопотребления.
Андрей Повный