Publié à l'origine par NREL
Libérer la valeur des technologies de mobilité électrique pour améliorer l'efficacité et la fiabilité de l'ensemble du système électrique
Alors que les ventes de véhicules électriques (VE) continuent d'augmenter aux États-Unis, le réseau électrique est parallèlement confronté à la plus grande transformation de ses 100 ans d'histoire :l'intégration à grande échelle des énergies renouvelables et des appareils électroniques de puissance. L'expansion attendue des véhicules électriques fera passer ces défis à la vitesse supérieure, obligeant les villes à faire face à une croissance en gigawatts de la demande d'électricité et à des quantités plus élevées d'énergie variable.
La coordination d'un grand nombre de véhicules électriques avec le système d'alimentation présente un défi très complexe. Les véhicules électriques introduisent des charges électriques variables qui dépendent fortement du comportement des clients. Le transport électrifié implique une co-optimisation avec d'autres systèmes énergétiques, comme le gaz naturel et le stockage de batteries en vrac. Cela pourrait impliquer des flottes de VÉ automatisés PDF et conduire à des relais routiers à énergie hybride qui fournissent de l'hydrogène et une recharge rapide aux véhicules lourds.
Ces changements mettront tous à l'épreuve les limites de l'intégration au réseau, mais le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) voit une opportunité à l'intersection des systèmes énergétiques et des transports. Avec de puissantes ressources pour simuler et évaluer des systèmes complexes, plusieurs projets NREL déterminent la coordination requise pour une charge rapide, l'équilibre entre l'offre et la demande d'électricité et l'utilisation efficace de tous les actifs énergétiques.
Avec les bons contrôles, NREL considère la mobilité comme une force pour la flexibilité du réseau.
Pour apprécier la valeur de la recharge coordonnée des véhicules électriques, il est utile d'imaginer le scénario inverse.
"Notre première question est de savoir quel avantage ou fardeau l'approche super simple et non coordonnée de la recharge des véhicules électriques offre au réseau", a déclaré Andrew Meintz, chercheur à la tête de l'équipe d'intégration du réseau des véhicules électriques du NREL, ainsi que du projet RECHARGE pour la recharge intelligente des véhicules électriques. "Ensuite, nous comparons cela à l'approche" whiz-bang ", tout est connecté. Nous voulons connaître la différence de valeur."
Dans l'approche "super simple", Meintz a expliqué que les véhicules électriques à batterie augmentent leur part de marché sans aucune évolution dans la coordination de la recharge des véhicules. Imaginez chaque employé de votre lieu de travail rentrant chez lui à 17 h. et charger leur véhicule. C'est l'équivalent de la grille d'aller de 0 à 100 mph, et si cela ne détruit pas le système, c'est au moins très cher. Selon l'étude sur l'avenir de l'électrification de NREL, une analyse complète des impacts de l'électrification généralisée dans tous les secteurs économiques des États-Unis, en 2050, les véhicules électriques pourraient contribuer à une augmentation de 33 % de la consommation d'énergie pendant les pics de demande d'électricité - les intervalles coûteux de la journée où les réserves d'énergie sont procuré. Dans le jargon de la courbe de canard, les véhicules électriques fatigueront davantage le cou du canard.
L'approche "whiz-bang" de Meintz imagine plutôt des stratégies de contrôle des VE qui sont délibérées et servent à lisser, plutôt qu'à intensifier, la demande d'électricité à venir. Cela signifie gérer à la fois quand et où recharge des véhicules pour créer une charge flexible sur le réseau.
Les chercheurs du NREL Andrew Meintz, Soumya Tiwari et Colin Tombari travaillent dans le laboratoire de caractérisation optique et des systèmes thermiques de l'Energy Systems Integration Facility. Les baies d'intégration du réseau de véhicules électriques du laboratoire d'optimisation et de contrôle permettent aux chercheurs de déterminer comment des chargeurs haute puissance avancés peuvent être ajoutés de manière sûre et efficace au réseau, avec la possibilité d'explorer comment combiner les bâtiments et la recharge des véhicules électriques. Photos par Dennis Schroeder, NREL
Les chercheurs du NREL Andrew Meintz, Soumya Tiwari et Colin Tombari travaillent dans le laboratoire de caractérisation optique et des systèmes thermiques de l'Energy Systems Integration Facility. Les baies d'intégration du réseau de véhicules électriques du laboratoire d'optimisation et de contrôle permettent aux chercheurs de déterminer comment des chargeurs haute puissance avancés peuvent être ajoutés de manière sûre et efficace au réseau, avec la possibilité d'explorer comment combiner les bâtiments et la recharge des véhicules électriques. Photos par Dennis Schroeder, NREL
Chez NREL, des stratégies intelligentes pour répartir les véhicules pour une recharge optimale sont en cours de développement à la fois pour le bord du réseau, où les consommateurs et les utilisateurs d'énergie se connectent au réseau, comme dans RECHARGE PDF, et l'ensemble du système de distribution, comme dans le projet GEMINI-XFC PDF. Les deux projets, financés par le bureau des technologies des véhicules du département américain de l'énergie (DOE), s'appuient sur les capacités avancées de l'Energy Systems Integration Facility du NREL pour simuler les futurs systèmes énergétiques.
À la périphérie du réseau, les véhicules électriques peuvent être co-optimisés avec des ressources énergétiques distribuées (technologies de production ou de stockage à petite échelle), le sujet d'un partenariat avec Eaton qui a amené les perspectives de l'industrie à influer sur la gestion coordonnée des flottes de véhicules électriques.
https://youtu.be/vowQ4eFJVT0
Au niveau du système plus large, le projet GEMINI-XFC a étendu les scénarios d'optimisation des véhicules électriques à l'échelle de la ville, la région de la baie de San Francisco, pour être précis.
GEMINI-XFC implique la modélisation du transport et du réseau la plus fidèle jamais réalisée », a déclaré Bryan Palmintier, responsable de la recherche au NREL sur les systèmes énergétiques connectés au réseau.
Nous combinons des scénarios de transport futur avec une co-simulation de grande région métropolitaine PDF – des millions de clients simulés et un modèle de système de distribution réaliste – pour trouver les meilleures approches pour les véhicules aidant le réseau."
GEMINI-XFC et RECHARGE peuvent prévoir les futurs scénarios d'électrification, puis insérer des contrôles qui réduisent la congestion du réseau ou compensent la demande de pointe, par exemple. La recharge des véhicules électriques implique une sorte de jeu de coquille, où les charges sont continuellement déplacées entre les bornes de recharge pour répondre à la demande du réseau.
Mais pour les véhicules lourds, la charge est plus difficile à cacher. Des flottes de camions électrifiés prendront bientôt la route, créant des mégawatts de demande localisée. Aucune quantité de réacheminement ne peut éviter les exigences de recharge des véhicules lourds ou d'autres cas de recharge extrêmement rapide (XFC). Pour relever ce défi, NREL travaille avec l'industrie et d'autres laboratoires nationaux pour étudier et démontrer le développement technologique nécessaire pour réaliser des bornes de recharge de plus de 1 MW PDF qui sont capables de charger rapidement à des niveaux d'énergie très élevés pour les véhicules moyens et lourds.
Pour atteindre une telle échelle, NREL envisage également un nouveau matériel de conversion de puissance basé sur des matériaux avancés tels que des semi-conducteurs à large bande interdite, ainsi que de nouveaux contrôleurs et algorithmes particulièrement adaptés aux flottes de véhicules gourmands en charge. Le défi d'intégrer la charge de plus de 1 MW pousse également la recherche NREL à une puissance plus élevée :les capacités à venir examineront les systèmes de plusieurs mégawatts qui s'associent au soutien d'autres secteurs de l'énergie.
Au NREL, la tendance vers des demandes de charge plus importantes est satisfaite par des capacités de recherche plus importantes. L'annonce d'ARIES ouvre la porte à la recherche sur l'intégration des systèmes énergétiques à une échelle 10 fois supérieure aux capacités actuelles :20 MW, contre 2 MW auparavant. Surtout, cela offre une opportunité de comprendre comment la mobilité avec de fortes demandes énergétiques peut être co-optimisée avec d'autres actifs à grande échelle pour bénéficier de la stabilité du réseau.
Si vous avez un réseau qui bourdonne avec une charge constante, alors un camion nécessite 500 kW ou plus de puissance, cela pourrait créer une grande perturbation pour le réseau », a déclaré Keith Wipke, responsable du programme de laboratoire pour les piles à combustible et les technologies de l'hydrogène. chez NREL.
Une demande de puissance aussi élevée pourrait être partiellement satisfaite par des systèmes de stockage sur batterie. Ou il pourrait être entièrement caché avec la production d'hydrogène. Le programme de Wipke, avec le soutien du Bureau des technologies de l'hydrogène et des piles à combustible du DOE, a mené des études sur la manière dont les électrolyseurs - des appareils qui utilisent l'électricité pour transformer l'eau en hydrogène et en oxygène - pourraient compenser les impacts de XFC sur le réseau. Ces efforts sont également étroitement alignés sur la vision H2@Scale du DOE pour une utilisation abordable et efficace de l'hydrogène dans plusieurs secteurs, y compris le transport lourd, la production d'électricité et la fabrication de métaux, entre autres.
Les chercheurs du NREL Rishabh Jain, Kazunori Nagasawa et Jen Kurtz travaillent sur la manière dont l'intégration au réseau des électrolyseurs, des appareils qui utilisent l'électricité pour transformer l'eau en hydrogène et en oxygène, pourrait compenser les impacts sur le réseau d'une charge extrêmement rapide.
Nous simulons des électrolyseurs qui peuvent correspondre à la charge de charge des véhicules électriques à batterie lourds. Lorsque la charge rapide commence, les électrolyseurs sont ralentis. Lorsque la charge rapide se termine, les électrolyseurs sont rallumés », a déclaré Wipke. "Si cela se fait sans heurts, l'utilitaire ne sait même pas que cela se produit."
Comme les électrolyseurs exploitent les électrons bon marché des périodes hors demande, une quantité importante d'hydrogène peut être produite sur place. Cela crée une voie énergétique naturelle de l'électricité à prix réduit vers un carburant. Il n'est donc pas étonnant que plusieurs sociétés de transport et de carburant bien connues aient récemment lancé un partenariat de plusieurs millions de dollars avec NREL pour faire progresser les technologies des véhicules lourds à hydrogène.
La logistique de l'extension de l'infrastructure de recharge électrique de 50 kW pour un seul camion électrique à batterie de démonstration à 5 000 kW pour une flotte de 100 personnes pourrait présenter des défis », a déclaré Wipke. «L'hydrogène évolue très bien; vous apportez essentiellement de l'hydrogène à une station-service ou le produisez sur place, mais dans tous les cas, les événements de ravitaillement en hydrogène sont découplés dans le temps de la production d'hydrogène, ce qui offre des avantages au réseau. »
La longue autonomie et les temps de ravitaillement rapides, y compris l'objectif du DOE d'atteindre 10 minutes de ravitaillement pour un camion PDF—ont déjà fait de l'hydrogène la solution hors pair pour les applications dans les chariots élévateurs d'entrepôt. De plus, NREL constate que les électrolyseurs distribués peuvent simultanément produire de l'hydrogène et améliorer les conditions de tension, ce qui peut ajouter une stabilité indispensable à un réseau qui gère plus d'énergie à partir de ressources variables.
Ces exemples qui co-optimisent la mobilité avec le réseau, en utilisant diverses technologies, encouragent NREL et ses partenaires à poursuivre une nouvelle échelle d'intégration de systèmes. Plusieurs projets avant-gardistes réinventent la mobilité urbaine comme un mélange de solutions énergétiques qui intègrent les forces relatives des technologies de transport, qui se complètent pour combler d'importantes lacunes dans la fiabilité du réseau.
À quoi ressemblera le transport électrifié à des taux de pénétration élevés ? Quelques projets NREL offrent une certaine perspective. Parmi les plus expérimentaux, NREL aide la ville de Denver à développer une communauté intelligente, intégrée à la mobilité électrifiée et proposant une recharge et une répartition automatisées des véhicules.
https://youtu.be/syMkqm4DTtw
Sur une autre voie vers la mobilité avancée, Los Angeles s'est lancée dans un plan de modernisation de l'infrastructure de son système électrique, visant un approvisionnement en énergie 100 % renouvelable d'ici 2045, ainsi que des objectifs ambitieux d'électrification des bâtiments et des véhicules. Dans le cadre de l'étude sur les énergies renouvelables à 100 % de Los Angeles, la ville travaille actuellement avec le NREL pour évaluer les impacts à grande échelle de la transition dans une analyse détaillée qui intègre diverses capacités dans l'ensemble du laboratoire.
La transition inclurait le port de Long Beach, le port à conteneurs le plus fréquenté des États-Unis.
Au port, NREL applique le même type de prévision de scénarios et d'évaluation des contrôles que d'autres projets, afin de trouver le mélange optimal de technologies qui peuvent être intégrées à la fois pour la stabilité du réseau et une qualité de service fiable :un mélange de carburant hydrogène- EV à cellules et batteries, systèmes de stockage de batterie, production d'énergie renouvelable sur site et coordination extrême entre tout.
L'hydrogène dans les ports a du sens pour la même raison que les camions :les applications marines ont de grandes exigences en matière de puissance et d'énergie », a déclaré Wipke. "Mais ce sont vraiment les synergies entre diverses technologies - l'infrastructure existante pour les véhicules électriques et la flexibilité des systèmes de batteries en vrac - qui rendront vraiment possible la transition vers une énergie renouvelable élevée."
Le port de Long Beach utilise un mélange de véhicules électriques à pile à combustible à hydrogène et à batterie, de systèmes de stockage de batterie, de production d'énergie renouvelable sur site et d'une coordination extrême entre tous.
Comme le port de Long Beach, les centres de transport à travers le pays s'adaptent à un environnement complexe de nouvelles solutions de mobilité. Les aéroports et les stations de transport en commun impliquent le mouvement de passagers, de biens et de services à un volume dépassant n'importe où ailleurs. Avec la transition vers la mobilité électrique connectée numériquement qui modifie la façon dont les aéroports planifient l'avenir, des projets NREL tels qu'Athena utilisent la puissance du calcul haute performance pour démontrer comment ces hubs peuvent maximiser la valeur de la mobilité des passagers et du fret par unité d'énergie, temps , et/ou coût.
La croissance de la complexité des hubs de transport ne fait cependant que commencer. À l'avenir, les flottes de véhicules électriques de covoiturage, de véhicules automatisés et de flottes de véhicules électriques de covoiturage automatisé pourraient représenter le plus grand effort de gestion de la mobilité à ce jour.
Pour comprendre le plein impact des futurs fournisseurs de services de mobilité, NREL a développé le cadre de simulation HIVE (Highly Integrated Vehicle Ecosystem). HIVE combine des facteurs liés à la satisfaction des besoins de mobilité et des opérations du réseau, tels que la volonté d'un client de faire du covoiturage ou de retarder un voyage, et des coûts de recharge potentiellement variables dans le temps, et simule le résultat dans un environnement intégré.
Notre question est la suivante :comment optimiser la gestion d'une flotte dont l'objectif principal est de fournir des trajets et d'améliorer la répartition et la recharge de cette flotte ? » a déclaré Eric Wood, ingénieur en systèmes de véhicules NREL.
HIVE a été développé dans le cadre de la recherche sur les systèmes énergétiques autonomes du NREL pour optimiser le contrôle des flottes de véhicules automatisés. C'est-à-dire un routage et une répartition optimisés des véhicules électriques automatisés.
Le projet imagine comment les signaux de prix pourraient influencer les algorithmes de répartition. Prenons l'exemple d'un client réservant un trajet via une application de covoiturage. Parmi la flotte de véhicules à proximité (différents emplacements facturés et changeant continuellement), lequel doit venir chercher le client ?
Considérons maintenant les mouvements de milliers de passagers dans une ville et de milliers de véhicules assurant des services de transport. Parmi le nombre d'agents, le changement instantané de l'offre et de la demande d'énergie et la grande diversité des technologies des fournisseurs, "nous jouons avec de nombreux paramètres", a déclaré Wood.
Mais au-delà de toute la complexité, et au milieu de simulations massives, l'objectif final de l'intégration véhicule-réseau est cohérent :
La motivation de notre travail est qu'il existe des prévisions de charge importante sur le réseau due à l'électrification des transports », a déclaré Wood. "Nous voulons nous assurer que cette charge est intégrée de manière sûre et efficace, tout en répondant aux attentes et aux besoins des passagers."
Les véhicules électriques ne sont pas nécessairement utiles au réseau, mais ils peuvent l'être. Alors que les véhicules électriques s'établissent dans le secteur des transports, NREL étudie comment atténuer les chocs que la mobilité électrifiée pourrait causer sur le réseau et faire progresser les avantages pour les navetteurs ou l'industrie.
Tout se résume à la flexibilité de la charge », a déclaré Meintz. "Nous essayons de décider comment répartir de manière optimale la recharge des véhicules pour répondre aux considérations de qualité de service, tout en minimisant les coûts de recharge."
En appliquant la flexibilité des véhicules électriques en coordination avec d'autres domaines énergétiques, NREL aide notre système électrique à traverser sa plus grande transition de l'histoire.
Grâce à une combinaison de ressources de modélisation et de simulation de classe mondiale, d'expériences à grande échelle et de partenariats stratégiques, les découvertes que NREL fait aujourd'hui garantiront que la mobilité électrifiée à grande échelle arrivera en douceur sur la route.
En savoir plus sur les recherches du NREL dans les transports, l'intégration du réseau électrique, l'hydrogène et les piles à combustible, et l'intégration des systèmes énergétiques.
Image en vedette :Recharge de la BMW i3 aux bornes de recharge rapide Electrify America, tard dans la nuit, avec l'aimable autorisation de Cynthia Shahan, EVObsession
