Координация сети открывает путь для гибкости электромобилей

Первоначально опубликовано NREL

Раскрытие ценности технологий электромобильности для повышения эффективности и надежности энергосистемы

Поскольку продажи электромобилей (EV) в Соединенных Штатах продолжают расти, энергосистема параллельно борется с величайшей трансформацией за свою 100-летнюю историю:крупномасштабной интеграцией возобновляемых источников энергии и силовых электронных устройств. Ожидаемое распространение электромобилей приведет к тому, что эти проблемы станут еще более актуальными, в результате чего города столкнутся с гигаваттным ростом спроса на электроэнергию и большим количеством переменной энергии.

Координация большого количества электромобилей с энергосистемой представляет собой очень сложную задачу. Электромобили вводят переменные электрические нагрузки , которые сильно зависят от поведения клиентов. Электрифицированный транспорт предполагает совместную оптимизацию с другими энергетическими системами, такими как природный газ и аккумуляторные батареи. Это может включать парки автоматизированных электромобилей PDF и привести к стоянкам грузовиков с гибридной энергией, которые обеспечивают водородом и быстрой зарядкой большегрузных транспортных средств.

Все эти изменения проверят пределы сетевой интеграции, но Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) видит возможность на пересечении энергетических систем и транспорта. Обладая мощными ресурсами для моделирования и оценки сложных систем, несколько проектов NREL определяют координацию, необходимую для быстрой зарядки, балансирования спроса и предложения электроэнергии и эффективного использования всех энергетических активов.

При правильном управлении NREL рассматривает мобильность как движущую силу гибкости сети.

Умное и не очень умное управление

Чтобы оценить ценность скоординированной зарядки электромобилей, полезно представить себе противоположный сценарий.

«Наш первый вопрос заключается в том, какую пользу или бремя предлагает суперпростой, нескоординированный подход к зарядке электромобилей от сети», — сказал Эндрю Мейнц, исследователь, возглавляющий группу интеграции электромобилей NREL, а также проект RECHARGE для интеллектуальной зарядки электромобилей. «Затем мы сравним это с подходом «вслепую», когда все взаимосвязано. Мы хотим знать разницу в стоимости».

Мейнц объяснил, что при «супер простом» подходе доля рынка электромобилей с батарейным питанием растет без каких-либо изменений в координации зарядки транспортных средств. Представьте, что каждый сотрудник на вашем рабочем месте едет домой в 17:00. и заряжают свой автомобиль. Это эквивалентно скорости сети от 0 до 100 миль в час, и если это не разрушит систему, то, по крайней мере, очень дорого. Согласно исследованию будущего электрификации NREL, всестороннему анализу последствий повсеместной электрификации во всех секторах экономики США, в 2050 году электромобили могут способствовать увеличению потребления энергии на 33% во время пикового спроса на электроэнергию — дорогостоящие интервалы дня, когда запасы энергии истощаются. закуплено. Говоря языком утиной кривой, электромобили еще больше напрягают шею утки.

Подход Майнца «свист-удар» вместо этого представляет стратегии управления электромобилями, которые являются преднамеренными и служат для сглаживания, а не для усиления предстоящего спроса на электроэнергию. Это означает управление как когда и где транспортные средства заряжаются для создания гибкой нагрузки на сеть.

Исследователи NREL Эндрю Мейнц, Сумья Тивари и Колин Томбари работают в лаборатории оптических характеристик и тепловых систем в Центре интеграции энергетических систем. Отсеки для интеграции электромобилей в лабораторию Optimization and Control Lab позволяют исследователям определить, как современные зарядные устройства высокой мощности можно безопасно и эффективно добавить в сеть, а также изучить, как объединить здания и зарядку электромобилей. Фото Денниса Шредера, NREL

Исследователи NREL Эндрю Мейнц, Сумья Тивари и Колин Томбари работают в лаборатории оптических характеристик и тепловых систем в Центре интеграции энергетических систем. Отсеки для интеграции электромобилей в лабораторию Optimization and Control Lab позволяют исследователям определить, как современные зарядные устройства высокой мощности можно безопасно и эффективно добавить в сеть, а также изучить, как объединить здания и зарядку электромобилей. Фото Денниса Шредера, NREL

В NREL разрабатываются интеллектуальные стратегии по отправке транспортных средств для оптимальной зарядки как для края сети, где потребители и пользователи энергии подключаются к сети, как в RECHARGE PDF и всю систему распространения, как в проекте GEMINI-XFC PDF. Оба проекта, финансируемые Управлением транспортных средств Министерства энергетики США (DOE), опираются на передовые возможности Центра интеграции энергетических систем NREL для моделирования будущих энергетических систем.

На границе сети электромобили могут быть оптимизированы совместно с распределенными энергоресурсами — маломасштабными технологиями генерации или хранения — это является предметом партнерства с Eaton, которое позволило отраслевым перспективам повлиять на скоординированное управление парками электромобилей.

https://youtu.be/vowQ4eFJVT0

На более крупном системном уровне проект GEMINI-XFC расширил сценарии оптимизации электромобилей до масштабов города — в частности, района залива Сан-Франциско.

<цитата>

GEMINI-XFC включает в себя самое точное моделирование транспорта и энергосистемы», — сказал Брайан Палминтиер, руководитель исследований NREL в области энергосистем, подключенных к сети.

Мы объединяем будущие транспортные сценарии с совместным моделированием большого района метро PDF — миллионы смоделированных клиентов и реалистичная модель системы распределения — чтобы найти наилучшие подходы к транспортным средствам, помогающим энергосистеме».

GEMINI-XFC и RECHARGE могут предвидеть будущие сценарии электрификации, а затем вводить элементы управления, которые, например, уменьшают перегрузку сети или компенсируют пиковый спрос. Зарядка электромобилей – это своего рода игра в наперстки, когда грузы постоянно перемещаются между зарядными станциями, чтобы удовлетворить потребности сети.

А вот в большегрузных автомобилях груз сложнее спрятать. Парки электрифицированных грузовиков скоро отправятся в путь, создавая мегаватты местного спроса. Никакое изменение маршрута не может избежать требований зарядки большегрузных транспортных средств или других случаев экстремальной быстрой зарядки (XFC). Чтобы решить эту проблему, NREL работает с отраслевыми и другими национальными лабораториями над изучением и демонстрацией технологического развития, необходимого для создания зарядных станций мощностью более 1 МВт PDF, которые могут быстро заряжаться при очень высоких уровнях энергии для транспортных средств средней и большой грузоподъемности.

Чтобы достичь такого масштаба, NREL также рассматривает новое оборудование для преобразования энергии, основанное на передовых материалах, таких как широкозонные полупроводники, а также новые контроллеры и алгоритмы, которые идеально подходят для парков транспортных средств, требующих подзарядки. Задача интеграции зарядки мощностью более 1 МВт также подталкивает исследования NREL к более высокой мощности:в будущих возможностях будут рассмотрены многомегаваттные системы, которые связаны с поддержкой других энергетических секторов.

Возобновляемые дороги для водорода

В NREL стремление к более высоким требованиям к зарядке удовлетворяется более широкими исследовательскими возможностями. Объявление об ARIES открывает двери для исследований по интеграции энергетических систем в масштабе, в 10 раз превышающем текущие возможности:20 МВт вместо 2 МВт. Важно, что это дает возможность понять, как мобильность с высоким потреблением энергии может быть оптимизирована совместно с другими активами коммунального масштаба для повышения стабильности сети.

<цитата>

Если у вас есть сеть, гудящая вместе с постоянной нагрузкой, то грузовику требуется мощность 500 кВт или более, это может привести к серьезным нарушениям в работе сети», — сказал Кит Випке, руководитель лабораторной программы по топливным элементам и водородным технологиям. в НРЭЛ.

Такой высокий спрос на электроэнергию может быть частично обеспечен аккумуляторными батареями. Или это может быть полностью скрыто за производством водорода. Программа Випке при поддержке Управления технологий водорода и топливных элементов Министерства энергетики США проводит исследования того, как электролизеры — устройства, использующие электричество для разложения воды на водород и кислород, — могут компенсировать влияние XFC на энергосистему. Эти усилия также тесно связаны с концепцией H2@Scale Министерства энергетики США по доступному и эффективному использованию водорода в различных секторах, включая, среди прочего, транспорт для тяжелых условий эксплуатации, производство электроэнергии и производство металлов.

Исследователи NREL Ришаб Джайн, Казунори Нагасава и Джен Курц работают над тем, как интеграция в сеть электролизеров — устройств, использующих электричество для разложения воды на водород и кислород, — может компенсировать воздействие на сеть экстремально быстрой зарядки.

<цитата>

Мы моделируем электролизеры, которые могут соответствовать зарядной нагрузке электромобилей большой мощности. Когда начинается быстрая зарядка, электролизеры замедляются. Когда быстрая зарядка заканчивается, электролизеры снова разгоняются», — сказал Випке. «Если все сделано гладко, утилита даже не узнает, что это происходит».

Поскольку электролизеры используют дешевые электроны из периодов отсутствия спроса, значительное количество водорода может быть произведено на месте. Это создает естественный энергетический путь от дисконтной электроэнергии к топливу. Поэтому неудивительно, что несколько известных транспортных и топливных компаний недавно инициировали многомиллионное партнерство с NREL для продвижения технологий водородных транспортных средств большой грузоподъемности.

<цитата>

Логистика расширения инфраструктуры зарядки электромобилей с 50 кВт для одного демонстрационного электрогрузовика до 5000 кВт для парка из 100 автомобилей может создать проблемы», — сказал Випке. «Водород очень хорошо масштабируется; вы в основном доставляете водород на заправочную станцию ​​или производите его на месте, но в любом случае события, связанные с заправкой водородом, отделены во времени от производства водорода, что обеспечивает преимущества для энергосистемы».

Большой запас хода и быстрая заправка, в том числе цель Министерства энергетики США по дозаправке грузовика за 10 минут PDF — уже сделали водород выдающимся решением для складских вилочных погрузчиков. Кроме того, NREL обнаружил, что распределенные электролизеры могут одновременно производить водород и улучшать условия напряжения, что может добавить столь необходимую стабильность в сеть, которая вмещает больше энергии из переменных ресурсов.

Те примеры, которые совместно оптимизируют мобильность с сетью, используя различные технологии, побуждают NREL и ее партнеров стремиться к новому масштабу системной интеграции. Несколько дальновидных проектов переосмысливают городскую мобильность как сочетание энергетических решений, объединяющих относительные сильные стороны транспортных технологий, которые дополняют друг друга, чтобы заполнить важные пробелы в надежности сети.

Будущее городской мобильности

Как будет выглядеть электрифицированный транспорт при высоких проникновениях? Несколько проектов NREL предлагают некоторую перспективу. Одним из самых экспериментальных является проект NREL, который помогает городу Денвер создать интеллектуальное сообщество, интегрированное с электрифицированной мобильностью и обеспечивающее автоматическую зарядку и отправку транспортных средств.

https://youtu.be/syMkqm4DTtw

На другом пути к передовой мобильности Лос-Анджелес приступил к реализации плана по модернизации инфраструктуры своей системы электроснабжения, стремясь к 2045 году обеспечить 100% возобновляемую энергию, наряду с агрессивными целями электрификации зданий и транспортных средств. В рамках исследования 100% возобновляемой энергии в Лос-Анджелесе город в настоящее время работает с NREL над оценкой полномасштабных последствий перехода в рамках подробного анализа, объединяющего различные возможности лаборатории.

Переход будет включать в себя порт Лонг-Бич, самый загруженный контейнерный порт в Соединенных Штатах.

<цитата>

В порту NREL применяет тот же тип прогнозирования сценариев и оценки контроля, что и другие проекты, чтобы найти оптимальное сочетание технологий, которые можно интегрировать как для стабильности сети, так и для надежного качества обслуживания:сочетание водородного топлива и электромобили на элементах и ​​батареях, системы хранения аккумуляторов, локальная возобновляемая генерация и максимальная координация всего.

Водород в портах имеет смысл по той же причине, что и грузовики:морские приложения требуют больших мощностей и энергии», — сказал Випке. «Но на самом деле именно синергия между различными технологиями — существующей инфраструктурой для электромобилей и гибкостью аккумуляторных систем — действительно сделает возможным переход к высоким возобновляемым источникам энергии».

В порту Лонг-Бич используются электромобили на водородных топливных элементах и ​​аккумуляторах, системы хранения аккумуляторов, локальная возобновляемая генерация и тщательная координация всего.

Как и порт Лонг-Бич, транспортные узлы по всей стране адаптируются к сложной среде новых мобильных решений. Аэропорты и станции общественного транспорта связаны с перемещением пассажиров, товаров и услуг в объеме, превышающем где-либо еще. С переходом на электрическую мобильность с цифровой связью, которая меняет планы аэропортов на будущее, проекты NREL, такие как Athena, используют мощь высокопроизводительных вычислений, чтобы продемонстрировать, как эти центры могут максимизировать ценность пассажирской и грузовой мобильности на единицу энергии, времени. и/или стоимость.

Однако рост сложности транспортных узлов только начался. Заглядывая в будущее, парки электромобилей, автоматизированных транспортных средств и парки автоматизированных электромобилей для совместного использования могут приложить самые большие усилия для управления мобильностью.

Автономная электросеть

Чтобы полностью понять влияние будущих поставщиков мобильных услуг, NREL разработала среду моделирования HIVE (Highly Integrated Vehicle Ecosystem). HIVE сочетает в себе факторы, связанные с удовлетворением потребностей в мобильности и работой сети, такие как готовность клиента использовать автомобили или откладывать поездку, а также потенциально изменяющиеся во времени затраты на подзарядку, и моделирует результат в интегрированной среде.

<цитата>

Наш вопрос заключается в том, как оптимизировать управление автопарком, основной целью которого является обеспечение поездок, а также улучшить диспетчеризацию и взимание платы за этот автопарк?» — сказал Эрик Вуд, инженер автомобильных систем NREL.

HIVE был разработан в рамках исследования NREL в области автономных энергетических систем для оптимизации управления парками автоматизированных транспортных средств. То есть оптимизированная маршрутизация и диспетчеризация автоматизированных электромобилей.

Проект представляет, как ценовые сигналы могут влиять на алгоритмы диспетчеризации. Рассмотрим одного клиента, который бронирует поездку на работу через приложение для заказа такси. Из парка транспортных средств поблизости — с различной нагрузкой и постоянно меняющимися местами — какой из них должен забрать клиента?

Теперь рассмотрим перемещение тысяч пассажиров в городе и тысяч автомобилей, предоставляющих транспортные услуги. Среди множества агентов, мгновенных изменений в спросе и предложении энергии, а также большого разнообразия технологий поставщиков, «мы играем со многими параметрами», – сказал Вуд.

Но несмотря на всю сложность и среди массовых симуляций, конечная цель интеграции транспортного средства в сеть неизменна:

<цитата>

Мотивация нашей работы в том, что есть прогнозы значительной нагрузки на сеть от электрификации транспорта», — сказал Вуд. «Мы хотим обеспечить безопасную и эффективную интеграцию этого груза, отвечая при этом ожиданиям и потребностям пассажиров».

Настоящая замена без оговорок

Электромобили не обязательно полезны для сети, но могут быть. По мере того, как электромобили внедряются в транспортный сектор, NREL изучает, как сгладить любые удары, которые электрифицированная мобильность может вызвать в сети, и принести какие-либо преимущества для пассажиров или отрасли.

<цитата>

Все сводится к гибкости нагрузки», — сказал Майнц. "Мы пытаемся решить, как оптимально распределить зарядку транспортных средств, чтобы обеспечить качество обслуживания и минимизировать затраты на зарядку".

Применяя гибкость электромобилей в координации с другими областями энергетики, NREL помогает нашей энергосистеме пережить величайший переход в истории.

Благодаря сочетанию первоклассных ресурсов для моделирования и моделирования, масштабных экспериментов и стратегического партнерства открытия, которые делает сегодня NREL, обеспечат беспрепятственное появление широко распространенной электрифицированной мобильности в будущем.

Узнайте больше об исследованиях NREL в области транспорта, интеграции электросетей, водородных и топливных элементов и интеграции энергетических систем.

Избранное изображение:BMW i3 заряжается на станциях быстрой зарядки Electrify America, поздняя ночь, любезно предоставлено Синтией Шахан, EVObsession