Транспортное средство-сеть ( V2G ) описывает систему, в которой подключаемые электромобили (PEV) продают в сеть услуги реагирования на спрос . Услуги спроса либо поставляют электроэнергию, либо снижают тарифы на ее оплату. Услуги по требованию снижают нагрузку на сеть, которая в противном случае могла бы испытывать сбои из-за изменений нагрузки. [1] [2] [3] Транспортное средство-нагрузка ( V2L ) и транспортное средство-автомобиль ( V2V ) связаны между собой, но фаза переменного тока не синхронизирована с сетью, поэтому питание доступно только при выключенном состоянии. нагрузка на сетку.
К подключаемым электромобилям относятся аккумуляторные электромобили (BEV), подключаемые гибриды (PHEV) и водородные автомобили . Они имеют общую способность генерировать электроэнергию. Это электричество обычно используется для питания автомобиля. Однако в любой момент времени 95% автомобилей припаркованы, а их энергия не используется. V2G предполагает отправку части накопленной энергии в сеть (или снижение тарифов на оплату, чтобы получать меньше энергии из сети). Отчет за 2015 год показал, что владельцы транспортных средств могут получать значительные выплаты. [4]
Батареи имеют ограниченное количество циклов зарядки, а также срок хранения, поэтому V2G может повлиять на долговечность батареи. Емкость аккумулятора является сложной функцией химического состава аккумулятора, скорости заряда/разряда, температуры, состояния заряда и возраста и развивается по мере совершенствования технологий. Большинство исследований с использованием медленной скорости разряда показывают лишь несколько процентов дополнительной деградации, в то время как одно исследование показало, что использование транспортных средств для хранения энергии в сети может увеличить срок службы. [5]
Транспортные средства на водородных топливных элементах (FCV) с баками, содержащими 5,6 кг водорода, могут производить более 90 кВтч электроэнергии. [6] Автомобильные аккумуляторы могут иметь емкость 100 кВтч и более .
Снижение тарифов на оплату, называемое однонаправленным V2G, технически проще, чем подача энергии, для которой многие PEV не оборудованы. [7] UV2G можно расширить за счет регулирования других видов деятельности, таких как нагрев/охлаждение воздуха. [8] [9]
V2G зародился как транспортное средство для транспортного средства (V2V), как это было задумано калифорнийской компанией AC Propulsion в начале 1990-х годов. Их 2-местный автомобиль Tzero имел двустороннюю зарядку. [10] V2G позволяет заряжать и разряжать транспортное средство и сеть в зависимости от различных сигналов. [11]
Транспортные средства V2G могут обеспечивать электроэнергию, помогая сбалансировать нагрузку на сеть путем «заполнения долины» [12] (зарядка в ночное время, когда спрос низкий) и « срезания пика » (отправка мощности в сеть, когда спрос высок, см. кривую утки ). [13] Выравнивание пиковой нагрузки поддерживает функции регулирования (поддержание стабильного напряжения и частоты) и обеспечивает резервы вращения (для удовлетворения внезапных потребностей в мощности). Объединение этих услуг со «умными счетчиками» позволяет использовать V2G. [14] V2G может буферизировать источники переменной мощности , сохраняя избыточную энергию и передавая ее в сеть в периоды высокой нагрузки.
Было предложено, чтобы коммунальные предприятия не строили столько электростанций, работающих на природном газе или угле, для удовлетворения пикового спроса или в качестве страховки от перебоев в подаче электроэнергии . [15] Поскольку потребность можно измерить локально с помощью простого измерения частоты, динамическое выравнивание нагрузки может быть обеспечено по мере необходимости на локальной основе. [16] «Карбитраж», сочетание слов «автомобиль» и « арбитраж », иногда используется для обозначения процесса покупки и продажи энергии, хранящейся в транспортном средстве. [17]
Электромобили обычно могут хранить больше энергии, чем требуется среднему дому в день. Такое транспортное средство могло бы обеспечить дом аварийным электроснабжением на несколько дней (передача от автомобиля к дому (V2H).
Калифорнийский сетевой оператор CAISO определяет четыре уровня интерфейса «транспортное средство-сеть» (VGI): [18]
V1G предполагает изменение времени/скорости зарядки электромобиля. Он также известен как услуги однонаправленной управляемой зарядки, однонаправленной V2G или «умной зарядки». Подходы V1G включают зарядку в середине дня для поглощения солнечной энергии, которая в противном случае была бы выброшена (потеряна), а также изменение скорости зарядки для обеспечения частотной характеристики или услуг балансировки нагрузки.
Транспортное средство-дом (V2H), транспортное средство-погрузка (V2L), транспортное средство-транспортное средство (V2V), [19] или транспортное средство-здание (V2B) — иногда все вместе называемые транспортным средством для всего (V2X). ) — использовать автомобиль для обеспечения электропитанием во время отключения электроэнергии или для замены энергии сети энергией из источников хранения энергии автомобиля. [20] Источник энергии может быть возобновляемым; например, транспортные средства, заряжающиеся на работе от солнечной энергии в течение дня, могут питать дом всю ночь, не потребляя электроэнергию из сети.
К 2022 году V2X еще не вышел на рынок, за исключением Японии, где коммерческие решения V2H были доступны с 2012 года. [21] [22] В 2022 году в Утрехте устанавливались тысячи двунаправленных зарядных устройств в ожидании появления транспортных средств, поддерживающих двунаправленную энергию. течет. [23]
К 2023 году на рынке появилось несколько автомобилей с поддержкой передачи энергии V2X. Ford F-150 Lightning поддерживает мощность V2L или V2G мощностью 9,6 кВт. [24] Tesla начала поставки нового легкого грузовика Cybertruck , который предлагает мощность 11,5 кВт V2H или V2L и с дополнительным электрооборудованием может обеспечить ту же выходную мощность в сценарии V2G, где важно точно согласовать частоту. к электрической сети и обеспечить дополнительные меры безопасности. [19]
V2G позволяет транспортным средствам подавать электроэнергию в сеть. Оператор коммунальной или передающей системы покупает энергию у потребителей. [25] Во многих юрисдикциях удовлетворение потребностей в электроэнергии в периоды пикового спроса обходится гораздо дороже, чем в другое время. Электроэнергия от электромобилей является потенциально более дешевой альтернативой. [ необходимы разъяснения ] Кроме того, электроэнергия может облегчить вспомогательные услуги [26] , такие как балансировка и контроль частоты, включая первичное регулирование частоты и вторичный резерв. [27]
V2G требует специального оборудования (например, двунаправленных инверторов ), имеет значительные потери и ограниченную эффективность в обоих направлениях, а циклическая зарядка/разрядка может сократить срок службы батареи. Доходы от V2G в пилотном проекте Edison в Южной Калифорнии были ниже затрат на администрирование проекта, что сводило на нет его экономические выгоды. [28]
Электромобили обычно допускают быструю зарядку постоянным током , имея трансформатор на зарядной станции и подключая батарею непосредственно к станции. В стадии разработки находится технология двунаправленной зарядки постоянного тока, при которой автомобиль может подавать электроэнергию на станцию или реверсировать без дополнительного оборудования в автомобиле, имея на станции преобразователь постоянного тока в переменный. В принципе, автомобили без аппаратной поддержки системы «транспортное средство-сеть» могут получить возможность двунаправленной передачи данных только путем обновления программного обеспечения. [29] [30]
В большинстве современных аккумуляторных электромобилей используются литий-ионные элементы, эффективность которых в обоих направлениях превышает 90%. [31] Эффективность зависит от таких факторов, как скорость заряда, состояние заряда, состояние аккумулятора и температура. [32] [33]
Большинство потерь приходится на компоненты системы, кроме аккумулятора. Силовая электроника, такая как инверторы, обычно преобладает над потерями. [34] Исследование показало, что эффективность передачи данных в обе стороны для системы V2G находится в диапазоне от 53% до 62%. [35] Другое исследование сообщает об эффективности около 70%. [36] Общая эффективность зависит от множества факторов и может сильно различаться. [34]
Исследование, проведенное в 2012 году Национальной лабораторией Айдахо [37], представило оценки и планы по внедрению V2G в различных странах. Потенциал трудно оценить количественно, поскольку технология все еще находится в зачаточном состоянии.
В июле 2022 года восемь электрических школьных автобусов на территории службы газоснабжения и электроснабжения Сан-Диего стали частью первого проекта V2G, призванного повысить надежность во время аварийных ситуаций с электричеством. [38] [39] Используя программное обеспечение V2G от Nuvve, [40] автобусные аккумуляторы объединяются с другими аккумуляторами в соседнем школьном округе, образуя ресурс, участвующий в Программе снижения аварийной нагрузки ( ELRP ), [41] которая была запущена в 2021 году. Калифорнийской комиссией по коммунальным предприятиям . SDG&E, Pacific Gas and Electric и Southern California Edison управляют пятилетним пилотным проектом ELRP.
В сентябре 2022 года в Сенате США был представлен Закон о ДВУНАПРАВЛЕНИИ, призванный «создать программу, посвященную развертыванию электрических школьных автобусов с возможностью двунаправленного потока транспортных средств в сеть (V2G)». [42]
В Северной Америке как минимум два крупных производителя школьных автобусов — Blue Bird и Lion — работают над доказательством преимуществ электрификации и технологии V2G. По состоянию на 2020 год школьные автобусы в США использовали дизельное топливо на 3,2 миллиарда долларов в год; их электрификация потенциально может помочь стабилизировать электрическую сеть, уменьшить потребность в электростанциях и уменьшить воздействие выхлопных газов. [43] [44] [45]
В 2017 году в Калифорнийском университете в Сан-Диего поставщик технологий V2G Nuvve запустил пилотную программу под названием INVENT, финансируемую Калифорнийской энергетической комиссией , с установкой 50 двунаправленных зарядных станций V2G вокруг кампуса. [46] В 2018 году программа расширилась и включила парк электромобилей для шаттла Triton Rides. [47]
В 2018 году компания Nissan запустила пилотную программу в рамках инициативы Nissan Energy Share в партнерстве с компанией Fermata Energy, занимающейся системами V2G, по использованию технологии V2G для частичного энергообеспечения штаб-квартиры Nissan North America во Франклине, штат Теннесси . [48] В 2020 году двунаправленная система зарядки электромобилей Fermata Energy стала первой системой, сертифицированной в соответствии с североамериканским стандартом безопасности UL 9741, стандартом для оборудования системы двунаправленной зарядки электромобилей (EV). [49]
Япония планировала потратить 71,1 миллиарда долларов на модернизацию существующей сетевой инфраструктуры. Среднестатистические японские дома потребляют от 10 до 12 кВтч/день. Аккумулятор Nissan Leaf емкостью 24 кВтч потенциально может обеспечить до двух дней автономной работы. [ нужна цитата ]
В ноябре 2018 года в городе Тойота, префектура Айти, корпорации Toyota Tsusho и Chubu Electric Power Co., Inc инициировали демонстрации VsG с электромобилями. В ходе демонстрации было рассмотрено, как системы V2G балансируют спрос и предложение, а также воздействие на энергосистему. Две двунаправленные зарядные станции, подключенные к серверу агрегации V2G, управляемому корпорацией Nuvve, были установлены на парковке в префектуре Айти . [50]
Проект Эдисона намерен установить достаточное количество турбин, чтобы удовлетворить 50% общих потребностей Дании в электроэнергии, используя при этом V2G для защиты сети. Проект Эдисона планирует использовать электрические электромобили, пока они подключены к сети, для хранения дополнительной энергии ветра, с которой сеть не может справиться. Затем, в часы пикового потребления энергии или когда ветер стихнет, энергия, накопленная в этих электромобилях, будет подаваться в сеть. Чтобы помочь в приеме электромобилей, автомобили с нулевым уровнем выбросов получили субсидии. [ нужна цитата ]
Вслед за проектом Edison был начат проект Nikola [51] , направленный на демонстрацию технологии V2G в лабораторных условиях, расположенных в кампусе Рисё (DTU). DTU является партнером наряду с Nuvve и Nissan. Проект Никола завершился в 2016 году, заложив основу для компании Parker, которая использовала парк электромобилей для демонстрации технологии в реальных условиях. Партнерами этого проекта являются DTU , [52] Insero, Nuvve, Nissan и Frederiksberg Forsyning (датский DSO в Копенгагене). Партнеры изучали коммерческие возможности, систематически тестируя и демонстрируя услуги V2G для различных автомобильных марок. Были выявлены экономические и нормативные барьеры, а также экономическое и техническое воздействие приложений на энергетическую систему и рынки. [53] Проект начался в августе 2016 года и завершился в сентябре 2018 года.
Начиная с января 2011 года были реализованы программы и стратегии, способствующие внедрению PEV.
В 2018 году EDF Energy объявила о партнерстве с Nuvve для установки до 1500 зарядных устройств Vehicle to Grid (V2G). Зарядные устройства должны были быть предложены бизнес-клиентам EDF Energy и на ее собственных объектах, чтобы обеспечить емкость хранения энергии до 15 МВт. [54]
В октябре 2019 года консорциум Vehicle to Grid Britain (V2GB) опубликовал исследовательский отчет о потенциале технологий V2G. [55] [56]
29 сентября 2022 года Solaris открыла зарядный парк в Болехово, Польша, который будет использоваться для тестирования зарядки и разрядки электронных транспортных средств. [57]
С 2020 года команда Австралийского национального университета по реализации услуг по подключению электромобилей к сети (REVS) изучает надежность и жизнеспособность транспортных средств к сети в масштабе, [58] запуская проект по хранению аккумуляторов и интеграции энергосистемы [ 58] . 59] инициатива.
В 2022 году первое зарядное устройство V2G стало доступно для покупки в Австралии. Задержки с его внедрением произошли из-за нормативных процессов (органы электроэнергетики каждого штата должны сертифицировать их на соответствие (после одобрения Австралии). Существуют также ограничения на внедрение из-за высокой Цена и тот факт, что очень немногие электромобили (EV) одобрены для использования V2G (в настоящее время только Nissan Leaf EV и некоторые гибридные электромобили Mitsubishi). V2G', всесторонний обзор международных проектов V2G. [60] [ нужна страница ]
В проекте The Mobility House в Германии в партнерстве с Nissan и TenneT Nissan Leaf использовался для хранения энергии. [61] Основная идея состоит в том, чтобы создать важное решение для немецкого энергетического рынка: энергия ветра с севера страны используется для зарядки электромобилей, в то же время электромобили снабжают сеть во время пиков спроса, избегая использования ископаемого топлива. В проекте использовалось десять зарядных станций для автомобилей. Меры по умному перераспределению энергии контролировались программным обеспечением, поэтому результат показал, что электромобильность можно использовать для гибкого управления возобновляемыми источниками генерации, которые меняются в зависимости от климата.
Датский проект Эдисона, аббревиатура от «Электромобили на распределенном и интегрированном рынке с использованием устойчивой энергетики и открытых сетей», представлял собой частично финансируемый государством исследовательский проект на острове Борнхольм в Восточной Дании. В консорциум вошли IBM , Siemens , разработчик аппаратного и программного обеспечения EURISCO, крупнейшая энергетическая компания Дании Ørsted (ранее DONG Energy), региональная энергетическая компания Østkraft, Технический университет Дании и Датская энергетическая ассоциация. В ходе исследования изучалось, как сбалансировать непредсказуемую нагрузку на электроэнергию, генерируемую ветряными электростанциями Дании, которые в то время производили около 20 процентов электроэнергии в стране, с помощью электромобилей и их аккумуляторов. Целью проекта является развитие необходимой инфраструктуры. [62] В проекте будет использоваться как минимум одна восстановленная Toyota Scion с поддержкой V2G . [63] Этот проект сыграл важную роль в усилиях Дании по расширению производства ветровой энергии до 50% к 2020 году. [64] По словам источника британской газеты The Guardian , «ранее его никогда не пробовали в таком масштабе». [65] Проект завершился в 2013 году. [66]
В 2020 году коммунальная компания E.ON разработала решение V2H с использованием GridX. [67] Обе компании внедрили свое решение в частном доме, чтобы проверить взаимодействие фотоэлектрической системы, аккумуляторной батареи и двунаправленной зарядки. Дом оснащен тремя батареями общей мощностью 27 кВтч, зарядным устройством постоянного тока и фотоэлектрической системой мощностью 5,6 кВтч. Был использован Nissan Leaf мощностью 40 кВтч.
В 2014 году Юго-Западный исследовательский институт (SwRI) разработал первую систему агрегации V2G, получившую одобрение Совета по надежности электроснабжения Техаса (ERCOT). Система позволяет участвовать владельцам автопарков электрических грузовиков. Когда частота сети падает ниже 60 Гц, система приостанавливает зарядку автомобиля, снимая нагрузку с сети и позволяя частоте подняться до нормальной. Система работает автономно. [68]
Первоначально система была разработана в рамках программы «Демонстрация интеллектуальной энергетической инфраструктуры для обеспечения энергетической надежности и безопасности» (SPIDERS), фаза II, возглавляемой компанией Burns and McDonnell Engineering Company, Inc. [ 69] . В ноябре 2012 года SwRI получила контракт на сумму 7 миллионов долларов США от Инженерный корпус армии США для демонстрации V2G. [70] В 2013 году исследователи SwRI протестировали пять станций быстрой зарядки постоянного тока. Система прошла интеграционное и приемочное тестирование в августе 2013 года. [71]
Профессор доктор Ад ван Вейк, Винсент Олденбрук и доктор Карла Робледо, исследователи Делфтского технологического университета , в 2016 году провели исследование технологии V2G с водородными двигателями FCEV . Были проведены как экспериментальные работы с V2G FCEV, так и исследования технико-экономических сценариев для 100% возобновляемых интегрированных энергетических и транспортных систем с использованием водорода и электричества в качестве энергоносителей. [72] Они модифицировали Hyundai ix35 FCEV , чтобы обеспечить мощность постоянного тока до 10 кВт [3] , сохраняя при этом готовность к дороге. Совместно с Accenda они разработали блок V2G, который преобразует мощность постоянного тока автомобиля в трехфазную мощность переменного тока и подает ее в сеть. [3] Группа Future Energy Systems проверила, могут ли FCEV предложить резервы частоты. [73]
Кемптон, Адвани и Прасад провели исследование V2G. Кемптон опубликовал статьи о технологии и концепции. [74] [75]
Эксплуатационная реализация в Европе была осуществлена в рамках проекта MeRegioMobil, финансируемого правительством Германии, при этом компания Opel выступала в качестве партнера по транспортным средствам, а коммунальная компания EnBW предоставляла экспертные знания в области электросетей. [76] Другими исследователями являются Pacific Gas and Electric Company , Xcel Energy , Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии и, в Соединенном Королевстве , Уорикский университет . [77]
В 2010 году Кемптон и Пойласне основали Nuvve, компанию, занимающуюся решениями V2G. Компания сформировала отраслевые партнерства и реализовала пилотные проекты V2G на пяти континентах. [46] [78]
Национальная лаборатория Лоуренса Беркли разработала V2G-Sim, платформу моделирования, используемую для моделирования пространственного и временного поведения вождения и зарядки отдельных электромобилей в сети. Его модели исследуют проблемы и возможности услуг V2G, такие как модуляция времени зарядки и тарифа зарядки для реагирования на пиковый спрос и регулирование частоты сети . Предварительные результаты показали, что контролируемая услуга V2G может обеспечить услуги по сглаживанию пиков и заполнению впадин, чтобы сбалансировать ежедневную электрическую нагрузку и смягчить утиную кривую. Было показано, что неконтролируемая зарядка транспортных средств усугубляет кривую утки. [79]
V2G-Sim сообщил, что V2G окажет незначительное влияние на деградацию батареи на электромобилях по сравнению с потерями при циклическом использовании и календарным старением. [80] Если предположить, что услуги V2G предоставляются ежедневно с 19:00 до 21:00 при тарифе зарядки 1,440 кВт, дополнительные потери мощности за десять лет составят 2,68%, 2,66% и 2,62%.
В мае 2016 года Nissan и энергетическая компания Enel объявили о совместном испытании V2G в Великобритании. [81] В испытании использовалось 100 зарядных устройств V2G, включая Nissan Leaf и электрофургоны e-NV200.
WMG и Jaguar Land Rover сотрудничали с группой университета по энергетике и электрическим системам. Уддин проанализировал коммерчески доступные PEV за двухлетний период. Он создал модель деградации аккумуляторов и обнаружил, что некоторые схемы хранения энергии от автомобиля к сети способны значительно увеличить срок службы аккумуляторов по сравнению с традиционными стратегиями зарядки, учитывая типичные схемы вождения. [82]
Чем больше используется батарея, тем скорее она нуждается в замене. По состоянию на 2016 год стоимость замены составляла примерно 1/3 стоимости автомобиля. [83] Батареи разряжаются по мере использования. [84] Дж. Б. Штробель , тогдашний технический директор Tesla Inc , не придавал значения V2G, утверждая, что износ батареи перевешивает экономическую выгоду. [85] Исследование 2017 года выявило снижение мощности, [86] [87], а исследование гибридных электромобилей 2012 года выявило незначительную пользу. [88]
Исследование 2015 года [89] показало, что экономический анализ, благоприятствующий V2G, не учитывает многие менее очевидные затраты, связанные с его внедрением. Если учесть эти менее очевидные затраты, исследование показало, что V2G оказался экономически неэффективным решением.
Другая распространенная критика, связанная с эффективностью, заключается в том, что циклическое включение и выключение питания из батареи, что включает в себя «инвертирование» постоянного тока в переменный, неизбежно приводит к потерям. Этот цикл энергоэффективности можно сравнить с эффективностью 70–80% крупномасштабной гидроаккумулирующей гидроэлектростанции . [90]
Энергетические компании должны быть готовы принять эту технологию, чтобы позволить транспортным средствам подавать электроэнергию в энергосистему. [13] Для транспортных средств, питающих сеть, должны быть установлены «умные счетчики» для поддержки учета. [14]
КПД батареи при проведении яичек в среднем составляет 98 %
Эффективность зарядки составляет от 97 до 99 процентов.
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь )