EVs werden das Stromnetz nicht überlasten, tatsächlich sind EVs (und Eis) seine Rettung

Der Westen der USA leidet unter einer großen Hitzewelle, die zu Stromausfällen und Mahnungen führen kann, Elektroautos am Nachmittag nicht aufzuladen. Da Kalifornien auch anordnet, dass alle Autos bis 2035 elektrisch sein sollen, ist ein häufig von EV-Gegnern gesprochenes Mem wieder aufgetaucht, die Idee, dass das Stromnetz dies unmöglich bewältigen kann.

Dabei planen wir zwar ein stark erneuerbares Netz, aber die wichtigsten Erneuerbaren, Sonne und Wind, sind tageszeit- und wetterabhängig schwankend.

Es stellt sich heraus, dass sich diese beiden Probleme tatsächlich gegenseitig aufheben können, und in Kombination mit einigen anderen Technologien wird es überhaupt kein Problem geben.

Benötigen Sie mehr Energie, nicht unbedingt mehr Leistung

Es stimmt, dass wir mehr elektrische Energie erzeugen müssen, damit alle Autos elektrisch fahren können. Die Netzkapazität kann sowohl in der jährlichen Gesamtenergieerzeugung als auch in der maximalen Leistung gemessen werden, und das sind verschiedene Dinge. Energie ist eine Ware wie Gallonen Benzin oder kWh. Leistung ist die sofortige Lieferung von Energie, die Menge an Energie, die Sie in einer Sekunde liefern können.

Im Netz schwanken Strombedarf und -angebot im Laufe des Tages. Nachts sind sie niedrig, aber an warmen Tagen steigt der Bedarf im Laufe des Tages weiter an und es wird heißer, wodurch mehr Klimaanlagen erforderlich werden. Wechselstrom ist der Haupttreiber für Spitzenbedarf im Netz. Die Nachfrage erreicht in der Regel gegen 6 Uhr ihren Höhepunkt, ist aber bis etwa 9 Uhr immer noch stark und nimmt dann bis in die Nacht ab. In kühleren Zeiten gibt es keine Spitze, wenn es am heißesten ist, also gibt es tendenziell zwei (viel niedrigere) Spitzen am Tag. Das Netz hat zu jedem Zeitpunkt eine Stromkapazität. Das schwankt im Laufe des Tages aufgrund der erneuerbaren Energien, aber das Hauptziel ist sicherzustellen, dass wir von 4 bis 9 Uhr, wenn die Nachfrage am höchsten ist, genügend Versorgungskapazität haben, um sie zu decken. Also geben wir Geld aus, um Kraftwerke und Übertragungsleitungen zu bauen, um diese Versorgung bereitzustellen.

Das Diagramm zeigt Kaliforniens Nachfrage und Angebot während der Hitzewelle am 3. September 2022. Die Gesamtversorgung lag bei über 55 GW, also gab es ein gutes Stück mehr, aber während der Spitze von 3:9 bis 40:XNUMX Uhr sind es über XNUMX GW.

Den Rest des Tages steht die Versorgung noch zur Verfügung. Wir schalten zwar alle Kraftwerke erst am späten Nachmittag ein, aber wir haben dafür bezahlt und können sie auch zu anderen Zeiten betreiben, wenn wir wollen. Manche Anlagen, wie Kernkraftwerke, müssen den ganzen Tag laufen, sie lassen sich nur schwer abschalten. Effiziente Erdgasanlagen benötigen einige Zeit zum Aufwärmen und Abkühlen, aber wir können sie abschalten, wenn sie nicht benötigt werden. Wasserkraftwerke können nach Belieben ein- und ausgeschaltet werden. Solaranlagen erzeugen natürlich nur tagsüber Strom, am meisten bei Sonnenschein.

Autos können zu jeder Tageszeit aufgeladen werden. Das durchschnittliche Auto in den USA fährt weniger als 40 Meilen pro Tag, was bedeutet, dass es normalerweise 5 Tage ohne Aufladung auskommt, wenn es nötig ist, aber es kann auf jeden Fall auswählen, wann es auflädt, solange es an die Steckdose angeschlossen werden kann. Die meisten schließen nachts an, wenn die meisten überschüssigen Stromkapazitäten im Netz vorhanden sind und der Strom am billigsten ist. In Zukunft werden mehr am Arbeitsplatz einstecken, aber für diese Autos wird es bis etwa 2 Uhr Überkapazitäten geben. Eine sehr kleine Anzahl von Autos auf Straßenfahrten muss am späten Nachmittag aufgeladen werden, und sie zahlen dafür eine Prämie.

Leute, die das nicht verstanden, fanden es ironisch, dass Kalifornien den Plan ankündigte, bis 2035 vollelektrisch zu werden, in derselben Woche, als eine Hitzewelle sie daran erinnerte, von 4 bis 9 Uhr nicht zu laden. Dies wurde falsch gemeldet, als sie die Leute aufforderten, ihre Autos nicht aufzuladen, aber tatsächlich ist der Ratschlag, nicht zu Spitzenzeiten aufzuladen, immer ein guter Standardratschlag, nicht nur in Hitzewellen. Niemand in Kalifornien fand sich aufgrund dieses Mangels mit einem toten Auto wieder, weil es nur eine Nachfragespitze ist für Macht, nicht Energie, zu den Spitzenzeiten.

(Es sollte beachtet werden, dass der kalifornische Netzbetreiber trotz Warnungen nie rollende Stromausfälle machen musste. Einfache Textnachrichten, die die Leute aufforderten, die Leistung zu reduzieren, funktionierten überraschend gut.)

Ein Referent:

Energie ist das, was nützliche Arbeit leistet, wie das Bewegen von Autos und das Kühlen von Häusern. Sie wird in Einheiten wie Kilowattstunden (kWh) oder sogar in Gallonen Benzin gemessen. Leistung ist die Rate, mit der Energie fließt, gemessen in Kilowatt oder Pferdestärken. Ihr Auto braucht vielleicht eine Gallone Benzin, um 30 Meilen oder 7.5 kWh zu fahren, aber es braucht mehr Pferdestärken, um es schneller zu machen. Gerade weil kW und kWh so ähnlich klingen, verwechselt man sie.

Mehr Energie

Wir müssen die Leistung des Netzes nicht erhöhen, um alle Autos aufzuladen, aber es muss mehr Energie produzieren. Auch wenn im Jahr 2035 alle Neuwagen elektrisch sind, werden erst rund 20 Jahre danach die meisten Benziner von der Straße verschwinden. Heute fahren Amerikaner ungefähr 3 Billionen Meilen pro Jahr (ein halbes Lichtjahr!), wenn sie das alles in Autos wie dem Tesla tun würdenTSLA
Modell 3, das 750 Terawattstunden (tWh) pro Jahr mehr bräuchte. Im Jahr 2020 erzeugten die USA 4,000 tWh, das ist also eine Steigerung von etwa 20 % – allerdings erst um 2050. Es ist mehr als das, weil es Lkw geben wird, die viel mehr Energie pro Meile verbrauchen, und andere weniger effiziente Autos, und so weiter wird mehr Autos und mehr Fahren sein, aber das gibt Ihnen eine Vorstellung von der Rückseite des Umschlags, wie viel zusätzliche Energie benötigt wird. (Wir wollen auch die Gasheizung für Häuser und Warmwasser von fossilen auf elektrische Wärmepumpen umstellen, was eine andere Diskussion ist.)

Das US-Stromnetz hat die Gesamtenergieabgabe in den letzten 20 Jahren bereits um 30 % gesteigert, also ist dies sicherlich etwas, das zuvor ohne besonderen Aufwand durchgeführt wurde. Da die Erhöhung möglicherweise größer ist, müssen möglicherweise besondere Anstrengungen unternommen werden. (Vielleicht nicht, wir werden immer besser darin, effizienter zu sein, und viele unserer Geräte und Dinge wie unsere Glühbirnen verbrauchen nur noch einen Bruchteil der Energie, die sie in der Vergangenheit verbraucht haben.)

Während wir 20 % mehr Energie brauchen, brauchen wir wegen der Elektroautos nicht viel mehr Strom. Möglicherweise brauchen wir mehr Energie für andere Dinge – insbesondere für das Bevölkerungswachstum – oder wir brauchen weniger, wenn wir effizienter werden. Neue Kraftwerke bieten sowohl mehr Leistung als auch mehr Energie, wenn auch auf unterschiedliche Weise. Wenn wir vorhatten, einfach mehr Kohle und Gas zu verbrennen, könnten wir tatsächlich mehr Energie aus den bestehenden Anlagen gewinnen, indem wir mehr Brennstoff verbrennen, aber das ist nicht unser Plan, also brauchen wir mehr erneuerbare Anlagen. Mehr Gitter brauchen wir wegen der Autos aber nicht.

Dieser zusätzliche Aufwand wird hauptsächlich von erneuerbaren Energien, insbesondere Solarenergie, kommen. Das hat keine ökologischen Gründe. Heutzutage ist Solarenergie die billigste Art von neuen Kraftwerken, die gebaut werden können. Wenn Sie sich die Gesamtkosten pro kWh von jeder Art von Anlage ansehen, ist die Solarenergie der Gewinner – und sie wird jedes Jahr billiger. Wenn Sie nur Energie zum niedrigsten Preis wollen und wählen können, wann Sie sie verwenden, ist die Solaranlage die einzige Anlage, die einfach auf den Preis baut – obwohl die Null-Emissionen sicherlich nett sind.

Während es sauber und leise und einfach zu bedienen ist, hat es einen Nachteil, dass es nur dann Strom gibt, wenn es sonnig ist. Wenn Sie 24 Megawattstunden pro Tag erzeugen möchten, könnten Sie dies mit einer gewöhnlichen 1-Megawatt-Anlage tun, die den ganzen Tag läuft, aber mit Solarenergie benötigen Sie möglicherweise eine 6-Megawatt-Anlage, und Sie würden nur Ihren Strom erhalten tagsüber, es sei denn, Sie hatten auch Speicher. Aber diese 6-Megawatt-Solaranlage würde weniger pro Energieeinheit kosten als die 1-MW-Gas-, Kohle- oder Atomanlage.

Um dieses Problem zu lösen, müssen Sie eine große Last finden, die die intermittierende Stromlieferung einer erneuerbaren Anlage aufnehmen kann, wenn sie dazu aufgefordert wird – wenn die Sonne scheint oder der Wind weht.

Das ist genau die Art von Lastbatterien, also Elektrofahrzeuge. Solange ein Auto angeschlossen ist, nimmt es Strom, wenn es einen Überschuss gibt, und nicht, wenn es einen Mangel gibt. Nur wenige andere Lasten sind so flexibel. Für jede andere Last brauchen Sie die Energie, wenn Sie sie brauchen, aber mit einer Batterie nehmen Sie sie zu einem anderen Zeitpunkt als Sie sie verwenden. Eine weitere Last wie diese ist das Filtern von Schwimmbadwasser – Sie müssen nur jeden Tag genug filtern, egal wann.

Heizen und Kühlen

Die größte Belastung des Stromnetzes und die Ursache für den Spitzenbedarf ist die Kühlung, und wenn wir die Heizung von fossilen Brennstoffen auf Wärmepumpen umstellen (Klimaanlagen umgekehrt), wird dies auch zu einer großen Belastung. Aber Heizung und Kühlung können auch ihren Bedarf verschieben, wenn wir dafür ausgelegte Geräte verwenden. Das liegt daran, dass Sie Wärme (oder Kälte) in der billigsten „Batterie“ von allen speichern können – Wasser.

Neuere fortschrittliche Klimaanlagen wissen genau, wie viel Klimaanlage später am Tag benötigt wird. Nachts und morgens kühlen und gefrieren sie Wasser in isolierten Eistanks. Sie tun dies, wenn der Strom billig und reichlich vorhanden ist und wenn die Temperatur niedriger ist und es weniger Aufwand erfordert. Später, wenn der Strom knapp wird, nutzen sie dieses Eis, um Gebäude zu kühlen. Unsere Temperaturvorhersagen sind jetzt sehr genau, sodass Computer diesen gesamten Prozess steuern können, um ihn schnell und effizient zu gestalten. Der Strom kommt entweder nachts (wenn die Nachfrage gering ist) oder morgens (wenn es noch kühl ist und ein großer Überschuss an Solarstrom vorhanden ist). , Kühlung und Heizung) wird morgens den Überschuss übernehmen. Erneuerbare Energien müssen gespeichert werden, aber diese Speicherung sind die Batterien, die sich bereits in den Autos befinden, und die Tanks mit Eis oder (zum Heizen) heißem Wasser. Es wird auch andere Arten von Speichern geben (Pumpwasserkraftwerke und Batterien und andere Methoden), aber wir werden viel weniger davon benötigen, als wenn wir bei unseren alten Klimaanlagen bleiben würden.

Daher kann ein großer Teil der Probleme eines zukünftigen erneuerbaren Netzes mit Elektrofahrzeugen und Eis gelöst werden. Beachten Sie, dass dies nicht bedeutet, dass die Autos durch die sogenannte „Vehicle to Grid“-Technologie als Batterien dienen. Das kann getan werden, sobald Batterien superlanglebig werden, aber es macht keinen Sinn, wenn teure Autobatterien während des Betriebs verbraucht werden, es sei denn, Strom kann bei Netzüberlastung zu sehr hohen Spotpreisen verkauft werden.

(Eisspeicher zum Kühlen und Heizen wurden überraschend langsam eingesetzt. Laut Mike Hopkins, ehemaliger CEO von Ice Energy, dem ersten Unternehmen im Weltraum, sind Leute, die Klimaanlagen installieren, einfach nicht an neue Dinge und sogar an grundlegende Regierungen gewöhnt Er glaubt, dass das Gesetz damit beginnen sollte, Speicher – nicht unbedingt Eis – für Heizung und Kühlung in Neubauten zu fordern, und dies wird das Problem der Spitzennachfrage lösen.)

Das Problem von Solar ist, dass es Strom nach dem Zeitplan der Sonne erzeugt, nicht nach Ihrem. EVs brauchen viel mehr elektrische Energie, können sie aber nach dem Zeitplan der Sonne aufnehmen. Die beiden Probleme heben sich gegenseitig auf. Wenn Sie die Fähigkeit von Klimaanlagen, Hausheizungssystemen und Warmwassersystemen hinzufügen, Wärme und Kälte zu erzeugen, zu speichern und später abzugeben, ist es, als wären die Probleme füreinander geschaffen. Das löst natürlich nicht alles – wir brauchen andere Arten der Speicherung und wahrscheinlich mehr Wind, Kernkraft und Geothermie. Und wir werden unsere Erdgasanlagen noch einige Zeit nutzen, um auf die Gipfel zu kommen. Einige Leute denken, dass wir die Batterien in Elektrofahrzeugen sogar verwenden werden, um Strom zu Spitzenzeiten an das Netz zurückzuverkaufen, um dies zu vermeiden. In der obigen Grafik wird die gelbe Solarlinie viel höher – tatsächlich höher als der Spitzenbedarf, aber das schafft um 7 Uhr ein großes Problem, wenn die Sonne untergeht und plötzlich all diese Spitzenleistung von Nicht-Solarenergie kommen muss.

Elektrofahrzeuge sind die Rettung des Stromnetzes, weil sie es uns ermöglichen, eine Tonne billiger, grüner Solarkapazität aufzubauen und uns dann einen Ort zu geben, an dem wir die gesamte zusätzliche Solarleistung von morgens bis 3 Uhr unterbringen können.

Wir müssen auch viel mehr Ladestecker dort installieren, wo Autos von 8 bis 3 Uhr parken, was eine Mischung aus Arbeitsplätzen und Wohnungen ist. Während die Nacht die günstigste Zeit ist, wird der billige Solarstromüberschuss am Morgen liegen. Es gibt noch viel zu tun, aber Elektrofahrzeuge mit ihrer Flexibilität bei der Energieaufnahme werden Teil der Lösung sein, nicht Teil des Problems.