Pojazd do sieci

Szybka ładowarka EV z obsługą V2G

Vehicle-to-grid ( V2G ), znany również jako Vehicle-to-home ( V2H ), opisuje system, w którym pojazdy elektryczne typu plug-in (PEV) sprzedają usługi reagowania na zapotrzebowanie do sieci. Usługi na żądanie albo dostarczają energię elektryczną, albo zmniejszają stawkę opłat. Usługi na żądanie zmniejszają obciążenie sieci, która w przeciwnym razie mogłaby doświadczać zakłóceń spowodowanych zmianami obciążenia. Pojazd do załadunku ( V2L ) jest powiązany, ale faza AC nie jest zsynchronizowana z siecią, więc moc jest dostępna tylko dla obciążenia „poza siecią”.

Pojazdy elektryczne typu plug-in obejmują pojazdy elektryczne typu plug-in (BEV), hybrydy typu plug-in (PHEV) oraz pojazdy napędzane wodorem . Dzielą zdolność wytwarzania energii elektrycznej. Ta energia elektryczna jest zwykle wykorzystywana do zasilania pojazdu. Jednak w dowolnym momencie 95% samochodów jest zaparkowanych, a ich energia pozostaje niewykorzystana. V2G przewiduje wysyłanie części zmagazynowanej energii do sieci (lub zmniejszanie stawek opłat, aby pobierać mniej energii z sieci). Raport z 2015 roku wykazał, że właściciele pojazdów mogą otrzymać znaczne płatności.

Baterie mają skończoną liczbę cykli ładowania, a także okres przydatności do spożycia, dlatego V2G może wpływać na żywotność baterii. Pojemność baterii jest złożoną funkcją składu chemicznego baterii, szybkości ładowania/rozładowania, temperatury, stanu naładowania i wieku oraz ewoluuje wraz z rozwojem technologii. Większość badań wykorzystujących niskie prędkości rozładowania pokazuje tylko kilka procent dodatkowej degradacji, podczas gdy jedno badanie sugerowało, że używanie pojazdów do przechowywania w sieci może wydłużyć żywotność.

napędzane wodorowymi ogniwami paliwowymi (FCV) ze zbiornikami zawierającymi 5,6 kg wodoru mogą dostarczyć ponad 90 kWh energii elektrycznej. Akumulatory samochodowe mogą pomieścić 100 kWh lub więcej .

Zmniejszenie stawek ładowania, określanych jako jednokierunkowe V2G, jest technicznie prostsze niż dostarczanie mocy, do której wiele pojazdów PEV nie jest przystosowanych. UV2G można rozszerzyć, ograniczając inne działania, takie jak ogrzewanie/chłodzenie powietrza.

Historia

V2G zaczęło się jako pojazd do pojazdu (V2V), zgodnie z planem kalifornijskiej firmy AC Propulsion na początku lat 90. Ich dwumiejscowy samochód Tzero był wyposażony w dwukierunkowe ładowanie. V2G umożliwia ładowanie i rozładowywanie pojazdu oraz sieci w zależności od różnych sygnałów.

Aplikacje

Wyrównywanie obciążenia szczytowego

Pojazdy V2G mogą dostarczać energię, aby pomóc zrównoważyć obciążenie sieci poprzez „napełnianie doliny” (ładowanie w nocy, gdy zapotrzebowanie jest niskie) i „ ograniczanie szczytów ” (wysyłanie mocy do sieci, gdy zapotrzebowanie jest wysokie, patrz krzywa kaczki ). Wyrównywanie obciążenia szczytowego wspiera usługi regulacyjne (utrzymywanie stabilnego napięcia i częstotliwości) oraz zapewnia rezerwy wirowania (aby sprostać nagłemu zapotrzebowaniu na moc). Połączenie tych usług z „inteligentnymi licznikami” umożliwia V2G. V2G może buforować zmienne zasilania , magazynując nadmiar energii i dostarczając ją do sieci w okresach dużego obciążenia.

Zaproponowano, aby przedsiębiorstwa użyteczności publicznej nie musiały budować tylu elektrowni na gaz ziemny lub węgiel, aby zaspokoić szczytowe zapotrzebowanie lub jako polisa ubezpieczeniowa na wypadek przerw w dostawie prądu . Ponieważ zapotrzebowanie można mierzyć lokalnie za pomocą prostego pomiaru częstotliwości, dynamiczne wyrównywanie obciążenia można zapewnić w razie potrzeby na wysoce lokalnym poziomie. Carbitrage, połączenie słów „samochód” i „ arbitraż ”, jest czasami używane w odniesieniu do procesu kupna i sprzedaży energii zmagazynowanej w pojeździe.

Zasilanie awaryjne

Pojazdy elektryczne mogą na ogół przechowywać więcej niż dzienne zapotrzebowanie na energię przeciętnego domu. Taki pojazd mógłby dostarczać zasilanie awaryjne do domu przez kilka dni, transmisja z pojazdu do domu (V2H).

typy

Kalifornijski operator sieci, CAISO , definiuje cztery poziomy interfejsu Vehicle-Grid (VGI):

Jednokierunkowy przepływ mocy (V1G)
V1G z zagregowanymi zasobami
V1G z fragmentarycznymi celami aktorów
Dwukierunkowy przepływ mocy (V2G)

V1G/jednokierunkowy V2G

V1G obejmuje zmianę czasu/szybkości ładowania pojazdu elektrycznego. Jest również znany jako jednokierunkowe zarządzane usługi ładowania, jednokierunkowe V2G lub „inteligentne ładowanie”. Podejścia V1G obejmują ładowanie w środku dnia w celu pochłonięcia energii słonecznej, która w przeciwnym razie zostałaby odrzucona (zrzucona), oraz różnicowanie szybkości ładowania w celu zapewnienia odpowiedzi częstotliwościowej lub usług równoważenia obciążenia.

Dwukierunkowy lokalny V2G (V2H , V2B, V2X)

Pojazd do domu (V2H) lub pojazd do budynku (V2B) lub pojazd do wszystkiego (V2X) wykorzystuje pojazd do zapewnienia zasilania rezerwowego podczas przerwy w dostawie prądu lub do zastąpienia energii sieciowej energią ze źródeł odnawialnych. Na przykład pojazdy ładowane energią słoneczną w pracy w ciągu dnia mogą zasilać dom przez całą noc bez pobierania energii z sieci.

Od 2022 r. V2X nie został jeszcze wprowadzony na rynek, z wyjątkiem Japonii, gdzie komercyjne rozwiązania V2H są dostępne od 2012 r. Utrecht instaluje tysiące dwukierunkowych ładowarek w oczekiwaniu na pojawienie się pojazdów obsługujących dwukierunkowy przepływ energii.

Dwukierunkowy V2G

V2G umożliwia pojazdom dostarczanie energii elektrycznej do sieci. Operator sieci energetycznej lub przesyłowej kupuje energię od klientów. W wielu jurysdykcjach zaspokajanie zapotrzebowania na moc w okresach szczytowego zapotrzebowania jest znacznie droższe niż w innych okresach. Energia z pojazdów elektrycznych jest potencjalnie tańszą alternatywą. Ponadto energia elektryczna może ułatwić świadczenie usług pomocniczych, takich jak równoważenie i kontrola częstotliwości, w tym pierwotna regulacja częstotliwości i rezerwa wtórna.

inwerterów dwukierunkowych ), ma znaczne straty i ograniczoną wydajność w obie strony, a cykle ładowania/rozładowania mogą skrócić żywotność baterii. Przychody z V2G w projekcie pilotażowym Edison w Południowej Kalifornii były niższe niż koszty administracyjne projektu, eliminując jego korzyści ekonomiczne.

Efektywność

Większość nowoczesnych pojazdów elektrycznych na baterie wykorzystuje ogniwa litowo-jonowe, które zapewniają wydajność w obie strony większą niż 90%. Wydajność zależy od takich czynników, jak szybkość ładowania, stan naładowania, stan baterii i temperatura.

Większość strat dotyczy elementów systemu innych niż akumulator. Elektronika mocy, taka jak falowniki, zwykle dominuje w stratach. Badanie wykazało, że wydajność w obie strony dla systemu V2G mieści się w zakresie od 53% do 62%. Inne badanie podaje skuteczność na poziomie około 70%. Ogólna wydajność zależy od wielu czynników i może się znacznie różnić.

Wdrożenie według kraju

Badanie przeprowadzone w 2012 roku przez Idaho National Laboratory przedstawiło szacunki i plany dotyczące V2G w różnych krajach. Potencjał jest trudny do oszacowania, ponieważ technologia wciąż się rozwija.

Stany Zjednoczone

W lipcu 2022 r. osiem elektrycznych autobusów szkolnych na terenie San Diego Gas & Electric było częścią pierwszego projektu V2G mającego na celu zwiększenie niezawodności podczas awarii elektrycznych. Korzystając z oprogramowania V2G firmy Nuvve, baterie autobusowe są łączone z innymi akumulatorami w pobliskim okręgu szkolnym, tworząc zasoby uczestniczące w ramach programu redukcji obciążenia awaryjnego ( ELRP ), który został uruchomiony w 2021 r. przez California Public Utilities Commission . SDG&E, Pacific Gas and Electric oraz Southern California Edison zarządzają pięcioletnim programem pilotażowym ELRP.

We wrześniu 2022 r. W Senacie Stanów Zjednoczonych wprowadzono ustawę BIDIRECTIONAL Act w celu „stworzenia programu poświęconego wdrażaniu elektrycznych autobusów szkolnych z możliwością dwukierunkowego przepływu pojazd-sieć (V2G)”.

W Ameryce Północnej co najmniej dwóch głównych producentów autobusów szkolnych — Blue Bird i Lion — pracuje nad udowodnieniem korzyści płynących z elektryfikacji i technologii V2G. Od 2020 r. Autobusy szkolne w USA zużywały olej napędowy o wartości 3,2 mld USD rocznie; ich elektryfikacja mogłaby potencjalnie pomóc ustabilizować sieć elektryczną, zmniejszyć zapotrzebowanie na elektrownie i zmniejszyć narażenie na spaliny.

W 2017 roku na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego dostawca technologii V2G, Nuvve, uruchomił program pilotażowy o nazwie INVENT, finansowany przez California Energy Commission , polegający na zainstalowaniu 50 dwukierunkowych stacji ładowania V2G wokół kampusu. Program rozszerzył się w 2018 roku o flotę pojazdów PEV do usługi wahadłowej Triton Rides.

W 2018 roku Nissan uruchomił program pilotażowy w ramach inicjatywy Nissan Energy Share we współpracy z firmą Fermata Energy, zajmującą się systemami V2G, w celu wykorzystania technologii V2G do częściowego zasilania centrali Nissan North America we Franklin w stanie Tennessee . W 2020 roku dwukierunkowy system ładowania pojazdów elektrycznych firmy Fermata Energy jako pierwszy uzyskał certyfikat zgodności z północnoamerykańską normą bezpieczeństwa UL 9741, standardem wyposażenia dwukierunkowego systemu ładowania pojazdów elektrycznych (EV).

Japonia

Japonia planowała wydać 71,1 miliarda dolarów na modernizację istniejącej infrastruktury sieciowej. Przeciętne japońskie domy zużywają od 10 do 12 kWh dziennie. Nissana Leaf o pojemności 24 kWh może potencjalnie zapewnić do dwóch dni zasilania. ^{[ potrzebne źródło ]}

W listopadzie 2018 r. w Toyota City w prefekturze Aichi firmy Toyota Tsusho Corporation i Chubu Electric Power Co., Inc zainicjowały demonstracje VsG z pojazdami elektrycznymi. Podczas demonstracji zbadano, w jaki sposób systemy V2G równoważą popyt i podaż oraz wpływ na sieć energetyczną. prefekturze Aichi zainstalowano dwie dwukierunkowe stacje ładowania, podłączone do serwera agregującego V2G zarządzanego przez Nuvve Corporation .

Dania

Projekt Edison ma na celu zainstalowanie wystarczającej liczby turbin, aby zaspokoić 50% całkowitego zapotrzebowania Danii na moc, przy jednoczesnym wykorzystaniu technologii V2G do ochrony sieci. Projekt Edison planuje wykorzystać PEV, gdy są one podłączone do sieci, do magazynowania dodatkowej energii wiatrowej, której sieć nie jest w stanie obsłużyć. Następnie, w godzinach szczytu zużycia energii lub gdy wiatr jest spokojny, energia zgromadzona w tych PEV-ach będzie oddawana do sieci. Aby pomóc w akceptacji PEV, pojazdy o zerowej emisji otrzymały dotacje. ^{[ potrzebne źródło ]}

Po projekcie Edison rozpoczęto projekt Nikola, który skupiał się na demonstracji technologii V2G w warunkach laboratoryjnych zlokalizowanych w kampusie Risø (DTU). DTU jest partnerem razem z Nuvve i Nissanem. Projekt Nikola zakończył się w 2016 r., kładąc podwaliny pod firmę Parker, która wykorzystała flotę pojazdów elektrycznych do zademonstrowania technologii w rzeczywistych warunkach. Partnerami tego projektu są DTU , Insero, Nuvve, Nissan i Frederiksberg Forsyning (duński OSD w Kopenhadze). Partnerzy zbadali możliwości komercyjne, systematycznie testując i demonstrując usługi V2G różnych marek samochodów. Zidentyfikowano bariery ekonomiczne i regulacyjne, a także ekonomiczny i techniczny wpływ aplikacji na system elektroenergetyczny i rynki. Projekt rozpoczął się w sierpniu 2016 r., a zakończył we wrześniu 2018 r.

Zjednoczone Królestwo

Od stycznia 2011 r. wdrażane były programy i strategie wspomagające adopcję PEV.

W 2018 roku firma EDF Energy ogłosiła współpracę z Nuvve w celu zainstalowania do 1500 ładowarek Vehicle to Grid (V2G). Ładowarki miały być oferowane klientom biznesowym EDF Energy oraz we własnych obiektach, zapewniając do 15 MW pojemności magazynowania energii.

W październiku 2019 roku konsorcjum Vehicle to Grid Britain (V2GB) opublikowało raport badawczy dotyczący potencjału technologii V2G.

Polska

Solaris 29 września 2022 roku otworzył w Bolechowie Park Ładowania , który będzie służył do testowania ładowania i rozładowywania pojazdów elektrycznych.

Australia

Od 2020 roku zespół Realing Electric Vehicle-to-grid Services (REVS) Australijskiego Uniwersytetu Narodowego bada niezawodność i rentowność pojazdu do sieci na dużą skalę, wyodrębniając inicjatywę Battery Storage and Grid Integration Project.

W 2022 roku w Australii można było kupić pierwszą ładowarkę V2G, pojawiły się opóźnienia we wprowadzaniu ze względu na procesy regulacyjne (każda władza państwowa musi poświadczyć ich zgodność (po zatwierdzeniu przez Australię). Istnieją również ograniczenia w rozpowszechnieniu ze względu na wysoki ceną oraz faktem, że bardzo niewiele pojazdów elektrycznych (EV) zostało dopuszczonych do korzystania z V2G (obecnie tylko Nissan Leaf EV i niektóre hybrydowe EV Mitsubishi). To wprowadzenie następuje po produkcji przez naukowców z Australian National University programu „A do Z of V2G”, kompleksowy przegląd międzynarodowych projektów V2G.

Badania

Edison

Duński projekt Edison, skrót od „Pojazdy elektryczne na rynku rozproszonym i zintegrowanym z wykorzystaniem zrównoważonej energii i otwartych sieci”, był częściowo finansowanym przez państwo projektem badawczym na wyspie Bornholm we wschodniej Danii . W skład konsorcjum wchodziły IBM , Siemens , producent sprzętu i oprogramowania EURISCO, największa duńska firma energetyczna Ørsted (dawniej DONG Energy), regionalna firma energetyczna Østkraft, Duński Uniwersytet Techniczny oraz Duńskie Stowarzyszenie Energetyczne. Zbadano, jak zrównoważyć nieprzewidywalne obciążenia energii elektrycznej generowane przez duńskie farmy wiatrowe, generujące wówczas około 20 procent energii elektrycznej w kraju, przy użyciu pojazdów PEV i ich akumulatorów. Celem projektu jest rozbudowa niezbędnej infrastruktury. W projekcie zostanie wykorzystana co najmniej jedna przebudowana Toyota Scion z obsługą V2G . Projekt był ważny w staraniach Danii o zwiększenie produkcji energii wiatrowej do 50% do 2020 r. Według źródła brytyjskiej gazety The Guardian „Nigdy wcześniej nie próbowano tego na taką skalę”. Projekt zakończył się w 2013 roku.

E.ON i gridX

W 2020 roku firma energetyczna E.ON opracowała rozwiązanie V2H z gridX. Obie firmy wdrożyły swoje rozwiązanie w prywatnym gospodarstwie domowym, aby przetestować interakcję systemu fotowoltaicznego, przechowywania baterii i ładowania dwukierunkowego. Dom wyposażony jest w trzy akumulatory o łącznej pojemności 27 kWh, ładowarkę prądu stałego oraz system fotowoltaiczny o mocy 5,6 kWp. Użyto Nissana Leaf o mocy 40 kWh.

Instytut Badawczy Południowo-Zachodni

W 2014 roku Southwest Research Institute (SwRI) opracował pierwszy system agregacji V2G zakwalifikowany przez Electric Reliability Council of Texas (ERCOT). System umożliwia udział właścicielom flot elektrycznych samochodów dostawczych. Gdy częstotliwość sieci spadnie poniżej 60 Hz, system wstrzymuje ładowanie pojazdu, usuwając obciążenie z sieci, umożliwiając wzrost częstotliwości do normalnej. System działa autonomicznie.

System został pierwotnie opracowany w ramach programu Smart Power Infrastructure Demonstration for Energy Reliability and Security (SPIDERS) fazy II, kierowanego przez firmę Burns and McDonnell Engineering Company, Inc. W listopadzie 2012 r. firma SwRI otrzymała od armii amerykańskiej kontrakt o wartości 7 milionów dolarów Korpus Inżynierów demonstruje V2G. W 2013 roku naukowcy SwRI przetestowali pięć stacji szybkiego ładowania prądem stałym. System przeszedł testy integracyjne i akceptacyjne w sierpniu 2013 roku.

Politechnika w Delft

Prof. dr Ad van Wijk, Vincent Oldenbroek i dr Carla Robledo, naukowcy z Delft University of Technology , w 2016 r. przeprowadzili badania nad technologią V2G z wodorowymi FCEV . Przeprowadzono zarówno prace eksperymentalne z pojazdami V2G FCEV, jak i analizy scenariuszy techniczno-ekonomicznych dla zintegrowanych w 100% odnawialnych źródeł energii i systemów transportowych, wykorzystując wodór i elektryczność jako nośniki energii. Zmodyfikowali Hyundaia ix35 FCEV dostarczać do 10 kW prądu stałego, utrzymując gotowość do jazdy po drogach. Wraz z firmą Accenda opracowali jednostkę V2G, która przetwarza prąd stały pojazdu na trójfazowy prąd przemienny i wprowadza go do sieci. Grupa Future Energy Systems przetestowała, czy FCEV mogą oferować rezerwy częstotliwości.

Uniwersytet Delaware

Kempton, Advani i Prasad przeprowadzili badania V2G. Kempton opublikował artykuły na temat technologii i koncepcji.

Wdrożenie operacyjne w Europie zostało przeprowadzone w ramach finansowanego przez rząd niemiecki projektu MeRegioMobil, w którym Opel był partnerem samochodowym, a firma EnBW zapewniała specjalistyczną wiedzę na temat sieci. Inni badacze to Pacific Gas and Electric Company , Xcel Energy , National Renewable Energy Laboratory oraz, w Wielkiej Brytanii , University of Warwick .

W 2010 roku Kempton i Poilasne byli współzałożycielami Nuvve, firmy zajmującej się rozwiązaniami V2G. Firma tworzyła partnerstwa branżowe i wdrażała projekty pilotażowe V2G na pięciu kontynentach.

Narodowe Laboratorium Lawrence Berkeley

Lawrence Berkeley National Laboratory opracowało V2G-Sim, platformę symulacyjną używaną do modelowania przestrzennego i czasowego zachowania podczas jazdy i ładowania poszczególnych pojazdów PEV w sieci. Jego modele badają wyzwania i możliwości związane z usługami V2G, takie jak modulacja czasu ładowania i szybkości ładowania w odpowiedzi na zapotrzebowanie szczytowe i regulacja częstotliwości sieci . Wstępne ustalenia wskazują, że kontrolowana usługa V2G może zapewniać usługi golenia szczytów i wypełniania dolin w celu zrównoważenia dziennego obciążenia elektrycznego i złagodzenia krzywej kaczki. Wykazano, że niekontrolowane ładowanie pojazdu zaostrza krzywą kaczki.

V2G-Sim poinformowało, że V2G miałoby niewielki wpływ na degradację baterii w pojazdach PEV w porównaniu do strat cyklicznych i starzenia się kalendarza. Zakładając codzienną usługę V2G od 19:00 do 21:00 przy szybkości ładowania 1440 kW, przyrostowe straty mocy w ciągu dziesięciu lat wyniosły 2,68%, 2,66% i 2,62%.

Nissana i Enela

W maju 2016 r. Nissan i firma energetyczna Enel ogłosiły wspólną wersję próbną V2G w Wielkiej Brytanii. W próbie wykorzystano 100 jednostek ładujących V2G, w tym elektryczne samochody dostawcze Nissan Leaf i e-NV200.

Uniwersytet w Warwick

WMG i Jaguar Land Rover współpracowały z uniwersytecką grupą Energy and Electrical Systems. Uddin przeanalizował dostępne na rynku PEV przez okres dwóch lat. Stworzył model degradacji baterii i odkrył, że niektóre wzorce przechowywania pojazdu do sieci były w stanie znacznie wydłużyć żywotność baterii w porównaniu z konwencjonalnymi strategiami ładowania, biorąc pod uwagę typowe wzorce jazdy.

Wady

Im częściej bateria jest używana, tym szybciej należy ją wymienić. Od 2016 roku koszt wymiany wynosił około 1/3 kosztu samochodu. Baterie zużywają się podczas użytkowania. JB Straubel , ówczesny CTO Tesla Inc , zdyskontował V2G, twierdząc, że zużycie baterii przewyższa korzyści ekonomiczne. Badanie z 2017 roku wykazało zmniejszającą się pojemność, a badanie hybrydowego pojazdu elektrycznego z 2012 roku wykazało niewielką korzyść.

Badanie z 2015 roku wykazało, że analizy ekonomiczne korzystne dla V2G nie uwzględniały wielu mniej oczywistych kosztów związanych z jego wdrożeniem. Po uwzględnieniu tych mniej oczywistych kosztów badanie wykazało, że V2G jest ekonomicznie nieefektywnym rozwiązaniem.

Inną powszechną krytyką związaną z wydajnością jest to, że włączanie i wyłączanie zasilania z akumulatora, co obejmuje „odwrócenie” prądu stałego na prąd przemienny, nieuchronnie wiąże się ze stratami. Ten cykl efektywności energetycznej można porównać z wydajnością 70–80% wielkoskalowej elektrowni szczytowo-pompowej .

Aby V2G było użyteczne, musi działać na dużą skalę ^{[ potrzebne źródło ]} . Firmy energetyczne muszą być chętne do przyjęcia technologii, aby umożliwić pojazdom dostarczanie energii do sieci energetycznej. Aby pojazdy mogły zasilać sieć, musiałyby istnieć „inteligentne liczniki” w celu wspierania księgowości.