Сколько электричества потребуется для питания электромобилей будущего?

Сегодня менее двух процентов автомобилей, которые покупают американцы, являются электрическими. Но в течение следующих трех десятилетий некоторые эксперты автомобильной промышленности ожидают, что электромобили могут составить большую часть продаж автомобилей в США и в мире.

В общей сложности американские водители проезжают около 3 триллионов миль в год, потребляя при этом более 170 миллиардов галлонов бензина и дизельного топлива. Преобразование всех этих дорожных миль в электричество поставит новые требования к национальной системе производства и доставки электроэнергии.

В рамках крупного исследования энергетической инфраструктуры мы стремимся понять, как увеличение количества электромобилей может изменить способ подачи и потребления энергии. До сих пор мы выяснили, что влияние электромобилей будет зависеть от того, где вы живете и когда они заряжаются.

Оценка того, сколько электричества электромобилей потребует

Используя аналогичную технику, описанную в нашей недавней статье о водородных транспортных средствах, мы разработали оценку количества электричества, которое будет необходимо в каждом штате для зарядки электрифицированного парка личных автомобилей, грузовиков и внедорожников.

Мы начали с оценки количества бензина, которое каждый округ потребляет сегодня. Затем мы пересчитали количество пройденных миль в соответствии с потребностями в электроэнергии, исходя из эффективности современных электромобилей.

Следует признать, что эти методы имеют ограничения. Количество пройденных миль может значительно измениться, если автономные транспортные средства станут обычным явлением, и, например, все больше людей будут пользоваться услугами Uber, Lyft и другими службами совместного использования транспортных средств. Тем не менее, мы считаем, что наш подход является хорошей отправной точкой для оценки будущего спроса на электроэнергию, если электромобили станут нормой.

Региональные воздействия

Электрическая сеть США постоянно развивалась, чтобы соответствовать новым требованиям в течение прошлого столетия. Но если бы национальные автомобили быстро стали электрическими, энергосистема должна была бы измениться быстрее. В зависимости от местных привычек вождения и уже существующей сетевой инфраструктуры наш анализ показывает, что электромобили будут иметь разное влияние в разных регионах.

Поскольку Техас и Калифорния потребляют больше электроэнергии, чем любые другие штаты, они дают хороший снимок того, как может выглядеть будущее, наполненное электромобилями. В обоих случаях увеличение электромобилей приведет к росту потребления, что может привести к нагрузке на местную инфраструктуру.

Если бы сегодня практически все пассажирские автомобили в Техасе были электрифицированы, государству потребовалось бы примерно на 110 тераватт-часов электроэнергии в год - среднегодовое потребление электроэнергии в 11 миллионов домов. Дополнительный спрос на электроэнергию приведет к 30-процентному увеличению по сравнению с текущим потреблением в Техасе.

Для сравнения: из-за более умеренного климата Калифорнии может потребоваться почти на 50 процентов больше электроэнергии, чем в настоящее время, если бы пассажирские транспортные средства в штате были полностью электрифицированы. Это означает, что Калифорния должна будет производить дополнительно 120 тераватт-часов электроэнергии в год.

Сказка о двух сетках

Взгляд на таблицы двух государств демонстрирует, как зависимость электромобилей от мобильности может варьироваться от места к месту.

В жаркие летние дни Техас использует примерно половину электричества, которое он вырабатывает для кондиционирования воздуха, чтобы поддерживать прохладу в зданиях. Большие сезонные колебания спроса на электроэнергию из-за кондиционирования воздуха означают, что в штате есть электростанции, которые простаивают в течение многих часов года. Свободные мощности в непиковые часы могут помочь Техасу удовлетворить будущие потребности электромобилей в электричестве.

Климат в Калифорнии более умеренный, что означает, что в летнее время штат нуждается в меньшем количестве электроэнергии, а в целом в энергосистеме - меньшая изменчивость. В результате в Калифорнии меньше генерирующих мощностей, чем в Техасе, чтобы удовлетворить будущие потребности в зарядке электромобилей.

В 2018 году Совет по надежности электроснабжения Техаса, организация, которая управляет большей частью электросетей Техаса, 19 июля достиг нового пикового уровня спроса, составляющего примерно 73 гигаватта. Рассматривая непиковые часы 19 июля 2018 года, мы обнаружили ERCOT энергосистема имела запасную мощность для обеспечения более 350 гигаватт-часов дополнительной электроэнергии, если электростанции на холостом ходу продолжали работать в течение дня, а не только во время пиковой нагрузки.

По нашим оценкам, требования к зарядке для полностью электрифицированного парка личных автомобилей в Техасе будут составлять около 290 гигаватт-часов в день, что меньше, чем имеющийся избыток генерирующих мощностей. Другими словами, техасская сеть теоретически могла бы заряжать полностью электрифицированный автопарк сегодня, если бы автомобили заряжались в непиковые часы.

Однако, когда мы провели такой же анализ для Калифорнии, мы обнаружили, что если электромобили станут нормой, это может вывести общий спрос на электроэнергию за пределы существующей мощности сети Золотого штата.

Сроки все

Возможно, даже более важным, чем то, сколько электроэнергии будут потреблять электромобили, является вопрос о том, когда они будут потребляться.

Мы основали вышеупомянутые оценки на оптимальных, непиковых моделях зарядки. Если вместо этого большинство электромобилей будет заряжаться во второй половине дня, электросети потребуется больше генерирующих мощностей, чтобы избежать простоев.

Чтобы удовлетворить этот спрос, Калифорнии и Техасу потребуется построить новые электростанции или купить больше электроэнергии в соседних штатах, чем они уже делают. Штатам также может понадобиться дополнительная инфраструктура передачи и распределения для размещения новой автомобильной зарядной инфраструктуры.

В целом, переход на электромобили с двигателями внутреннего сгорания может потенциально стоить десятки миллиардов долларов в Техасе и даже больше в Калифорнии, чтобы установить новую электроэнергетическую инфраструктуру, если многие автомобили будут заряжаться в часы пик.

Стимулы могут снизить стоимость оснащения электросети большим количеством электромобилей. Например, коммунальные услуги могут взимать разные тарифы на электроэнергию в разное время суток и в разные дни недели. Эта практика, известная как ценообразование в зависимости от времени использования, может стимулировать зарядку транспортных средств, когда электричество становится более распространенным в непиковые часы и, следовательно, дешевле в поставках.

Калифорния и другие регионы, в том числе Остин, Техас, уже начали использовать различные стратегии для введения тарифов времени использования. Другие регионы, возможно, захотят внимательно посмотреть и перенять уроки, извлеченные в этих местах, по мере роста количества электромобилей на дороге.

Дорога впереди

В то время как электромобили могут увеличить количество электроэнергии, потребляемой США, инвестиции, необходимые для их размещения, могут быть меньше, чем кажется. Многие регионы уже имеют достаточную производственную мощность, если транспортные средства заряжаются в нерабочее время. Хранение энергии на борту электромобилей может обеспечить гибкость, необходимую для изменения времени зарядки, и помочь операторам энергосистем лучше управлять спросом и предложением электроэнергии.

Более того, исходя из наших расчетов, деньги, которые американцы сэкономили бы только на расходах на топливо, могли бы компенсировать эти инвестиции.

Например, если бы к 2017 году большинство транспортных средств в Калифорнии были электрическими, по нашим оценкам, его водители сэкономили бы около 25 миллиардов долларов в этом году на расходах на топливо - исходя из средних цен на электроэнергию и бензин.

Помимо экономии топлива, некоторые аналитики рынка ожидают, что к 2026 году электромобили будут дешевле, чем обычные, что является еще одной потенциальной экономической выгодой.

Несмотря на то, что сложно прогнозировать будущие цены на бензин, электричество и транспортные средства, мы полагаем, что, вероятно, широкое использование электромобилей сократит общие расходы на транспортировку в Калифорнии и в других местах. Эти сбережения еще больше, если принять во внимание экологические выгоды, особенно снижение выбросов углерода.

Эта статья была первоначально опубликована в «Беседе» Ф. Тоддом Дэвидсоном, Дейвом Таттлом, Джошуа Д. Родсом и Казунори Нагасавой. Прочитайте оригинальную статью здесь.