Điều phối lưới mở đường cho tính linh hoạt của xe điện

Ban đầu được xuất bản bởi NREL

Khám phá giá trị của các công nghệ di động điện để thúc đẩy hiệu quả và độ tin cậy trên toàn hệ thống điện

Khi doanh số bán xe điện (EV) tiếp tục tăng ở Hoa Kỳ, lưới điện đang song song cạnh tranh với sự chuyển đổi lớn nhất trong lịch sử 100 năm của nước này:sự tích hợp quy mô lớn của năng lượng tái tạo và các thiết bị điện tử. Sự mở rộng dự kiến ​​của xe điện sẽ chuyển những thách thức đó sang mức cao, khiến các thành phố phải đối mặt với sự tăng trưởng gigawatt về nhu cầu điện và lượng năng lượng biến đổi cao hơn.

Việc phối hợp số lượng lớn xe điện với hệ thống điện là một thách thức rất phức tạp. Xe điện giới thiệu tải điện thay đổi phụ thuộc nhiều vào hành vi của khách hàng. Giao thông vận tải điện hóa liên quan đến việc đồng tối ưu hóa với các hệ thống năng lượng khác, như khí đốt tự nhiên và lưu trữ pin số lượng lớn. Nó có thể liên quan đến đội xe điện tự động đặt xe điện PDF và dẫn đến các điểm dừng xe tải sử dụng năng lượng hỗn hợp để cung cấp hydro và sạc nhanh cho các phương tiện hạng nặng.

Những thay đổi đó sẽ kiểm tra tất cả các giới hạn của việc tích hợp lưới điện, nhưng Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL) nhận thấy cơ hội ở điểm giao nhau của hệ thống năng lượng và giao thông. Với các nguồn lực mạnh mẽ để mô phỏng và đánh giá các hệ thống phức tạp, một số dự án NREL đang xác định sự phối hợp cần thiết để sạc nhanh, cân bằng cung cầu điện và sử dụng hiệu quả tất cả các tài sản năng lượng.

Với các điều khiển phù hợp, NREL coi tính di động là động lực cho sự linh hoạt của lưới.

Điều khiển thông minh và không quá thông minh

Để đánh giá cao giá trị của việc sạc EV phối hợp, sẽ rất hữu ích nếu bạn hình dung ra tình huống ngược lại.

Andrew Meintz, nhà nghiên cứu đứng đầu nhóm Tích hợp lưới xe điện của NREL cũng như dự án RECHARGE để sạc xe điện thông minh cho biết:“Câu hỏi đầu tiên của chúng tôi là lợi ích hay gánh nặng mà phương pháp tiếp cận siêu đơn giản, không phối hợp để sạc điện cho xe điện thông minh. “Sau đó, chúng tôi so sánh điều đó với cách tiếp cận‘ whiz-bang ’, mọi thứ đều được kết nối. Chúng tôi muốn biết sự khác biệt về giá trị. ”

Trong cách tiếp cận “siêu đơn giản”, Meintz giải thích rằng xe điện chạy bằng pin tăng trưởng về thị phần mà không có bất kỳ sự tiến triển nào trong việc phối hợp sạc trên xe. Hình dung mọi nhân viên tại nơi làm việc của bạn lái xe về nhà lúc 5 giờ chiều. và sạc xe của họ. Điều đó tương đương với việc lưới điện đi từ 0 đến 100 dặm / giờ và nếu nó không phá hỏng hệ thống, thì ít nhất nó cũng rất đắt. Theo Nghiên cứu tương lai về điện của NREL, một phân tích toàn diện về tác động của quá trình điện khí hóa rộng rãi trên tất cả các lĩnh vực kinh tế của Hoa Kỳ, vào năm 2050 EV có thể góp phần làm tăng 33% việc sử dụng năng lượng trong thời gian nhu cầu điện cao điểm — khoảng thời gian tốn kém trong ngày khi năng lượng dự trữ mua sắm. Theo cách nói của đường cong vịt, EVs sẽ làm căng cổ vịt hơn nữa.

Thay vào đó, phương pháp tiếp cận “whiz-bang” của Meintz hình dung ra các chiến lược kiểm soát xe điện có chủ ý và phục vụ nhu cầu điện sắp tới, thay vì tăng cường nhu cầu điện sắp tới. Nó có nghĩa là quản lý cả khi và ở đâu phương tiện thu phí để tạo tải linh hoạt trên lưới điện.

Các nhà nghiên cứu NREL Andrew Meintz, Soumya Tiwari và Colin Tombari làm việc trong phòng thí nghiệm Đặc tính Quang học và Hệ thống Nhiệt trong Cơ sở Tích hợp Hệ thống Năng lượng. Các vịnh Tích hợp lưới xe điện của Phòng thí nghiệm Tối ưu hóa và Kiểm soát cho phép các nhà nghiên cứu xác định cách có thể thêm bộ sạc công suất cao tiên tiến vào lưới điện một cách an toàn và hiệu quả, với tiềm năng khám phá cách kết hợp các tòa nhà và sạc xe điện. Ảnh của Dennis Schroeder, NREL

Các nhà nghiên cứu NREL Andrew Meintz, Soumya Tiwari và Colin Tombari làm việc trong phòng thí nghiệm Đặc tính Quang học và Hệ thống Nhiệt trong Cơ sở Tích hợp Hệ thống Năng lượng. Các vịnh Tích hợp lưới xe điện của Phòng thí nghiệm Tối ưu hóa và Kiểm soát cho phép các nhà nghiên cứu xác định cách có thể thêm bộ sạc công suất cao tiên tiến vào lưới điện một cách an toàn và hiệu quả, với tiềm năng khám phá cách kết hợp các tòa nhà và sạc xe điện. Ảnh của Dennis Schroeder, NREL

Tại NREL, các chiến lược thông minh để điều động các phương tiện để sạc điện tối ưu đang được phát triển cho cả rìa lưới điện, nơi người tiêu dùng và người sử dụng năng lượng kết nối với lưới điện, như trong RECHARGE PDF và toàn bộ hệ thống phân phối, như trong dự án GEMINI-XFC PDF. Cả hai dự án, được tài trợ bởi Văn phòng Công nghệ Xe của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE), dựa trên các năng lực tiên tiến tại Cơ sở Tích hợp Hệ thống Năng lượng của NREL để mô phỏng các hệ thống năng lượng trong tương lai.

Ở rìa lưới, xe điện có thể được đồng tối ưu hóa với các nguồn năng lượng phân tán — công nghệ sản xuất hoặc lưu trữ quy mô nhỏ — chủ đề của sự hợp tác với Eaton nhằm mang lại quan điểm của ngành về việc phối hợp quản lý các đội xe điện.

https://youtu.be/vowQ4eFJVT0

Ở cấp hệ thống lớn hơn, dự án GEMINI-XFC đã mở rộng các kịch bản tối ưu hóa EV cho quy mô thành phố — cụ thể là Khu vực Vịnh San Francisco.

GEMINI-XFC liên quan đến mô hình vận tải và lưới điện có độ trung thực cao nhất từ ​​trước đến nay, ”Giám đốc Nghiên cứu NREL của Hệ thống Năng lượng Kết nối Lưới, Bryan Palmintier cho biết.

Chúng tôi đang kết hợp các kịch bản giao thông trong tương lai với mô phỏng một khu vực thành phố lớn PDF — hàng triệu khách hàng được mô phỏng và mô hình hệ thống phân phối thực tế — để tìm ra các phương pháp tiếp cận tốt nhất đối với các phương tiện giúp ích cho lưới điện. ”

GEMINI-XFC và RECHARGE có thể thấy trước các tình huống điện khí hóa trong tương lai và sau đó chèn các điều khiển để giảm tắc nghẽn lưới điện hoặc bù đắp nhu cầu cao điểm, chẳng hạn. Sạc EV liên quan đến một loại trò chơi vỏ, trong đó tải liên tục được di chuyển giữa các trạm sạc để đáp ứng nhu cầu lưới điện.

Nhưng đối với các loại xe có trọng tải lớn thì việc giấu tải khó hơn. Các đội xe tải điện sẽ sớm lên đường, tạo ra hàng tấn nhu cầu nội địa hóa. Không có quy trình định tuyến lại nào có thể tránh được yêu cầu sạc xe tải hạng nặng hoặc các trường hợp sạc cực nhanh (XFC) khác. Để giải quyết thách thức này, NREL đang làm việc với ngành công nghiệp và các phòng thí nghiệm quốc gia khác để nghiên cứu và chứng minh sự xây dựng công nghệ cần thiết để đạt được các trạm sạc 1 MW PDF có khả năng sạc nhanh ở mức năng lượng rất cao cho xe hạng trung và hạng nặng.

Để đạt được quy mô như vậy, NREL cũng đang xem xét phần cứng chuyển đổi điện năng mới dựa trên các vật liệu tiên tiến như chất bán dẫn băng thông rộng, cũng như các bộ điều khiển và thuật toán mới phù hợp duy nhất cho các đội xe tiêu thụ phí. Thách thức để tích hợp sạc 1 MW trở lên cũng đang thúc đẩy nghiên cứu của NREL lên mức công suất cao hơn:Các khả năng sắp tới sẽ xem xét các hệ thống nhiều megawatt kết hợp với sự hỗ trợ của các ngành năng lượng khác.

Đường trong nước có thể tái tạo cho hydro

Tại NREL, động lực hướng tới nhu cầu sạc lớn hơn đang được đáp ứng với khả năng nghiên cứu lớn hơn. Thông báo của ARIES mở ra cánh cửa cho nghiên cứu tích hợp hệ thống năng lượng ở quy mô lớn hơn gấp 10 lần so với khả năng hiện tại:20 MW, tăng từ 2 MW. Về mặt quan trọng, nó tạo cơ hội để hiểu cách thức di chuyển với nhu cầu năng lượng cao có thể được đồng tối ưu hóa với các tài sản quy mô tiện ích khác để mang lại lợi ích cho sự ổn định của lưới điện.

Keith Wipke, giám đốc chương trình phòng thí nghiệm về pin nhiên liệu và công nghệ hydro, cho biết nếu bạn có một lưới điện ồn ào cùng với một tải ổn định, thì một chiếc xe tải yêu cầu công suất 500 kW trở lên, nó có thể tạo ra sự gián đoạn lớn cho lưới điện. tại NREL.

Nhu cầu điện năng cao như vậy có thể được phục vụ một phần bởi các hệ thống lưu trữ pin. Hoặc nó có thể được che giấu hoàn toàn với quá trình sản xuất hydro. Chương trình của Wipke, với sự hỗ trợ từ Văn phòng Công nghệ Tế bào Nhiên liệu và Hydro của DOE, đã thực hiện các nghiên cứu về cách các máy điện phân — các thiết bị sử dụng điện để phân hủy nước thành hydro và oxy — có thể bù đắp các tác động lưới điện do XFC gây ra. Những nỗ lực này cũng phù hợp chặt chẽ với tầm nhìn Quy mô H2 @ của DOE về việc sử dụng hydro hiệu quả và giá cả phải chăng trên nhiều lĩnh vực, bao gồm vận tải hạng nặng, sản xuất điện và sản xuất kim loại, v.v.

Các nhà nghiên cứu của NREL Rishabh Jain, Kazunori Nagasawa và Jen Kurtz đang nghiên cứu cách tích hợp lưới điện của các thiết bị điện phân — các thiết bị sử dụng điện để phân hủy nước thành hydro và oxy — có thể bù đắp tác động của lưới điện do sạc quá nhanh.

Chúng tôi đang mô phỏng bộ điện phân có thể phù hợp với tải sạc của xe điện chạy bằng pin hạng nặng. Khi quá trình sạc nhanh bắt đầu, các chất điện phân sẽ giảm xuống. Khi quá trình sạc nhanh kết thúc, các bộ điện phân sẽ hoạt động trở lại, ”Wipke nói. “Nếu được thực hiện suôn sẻ, tiện ích thậm chí không biết điều đó đang xảy ra.”

Khi các máy điện phân khai thác các electron rẻ tiền từ các giai đoạn không có nhu cầu, một lượng hydro đáng kể có thể được sản xuất tại chỗ. Điều đó tạo ra một con đường năng lượng tự nhiên từ chiết khấu điện thành nhiên liệu. Do đó, không có gì ngạc nhiên khi một số công ty vận tải và nhiên liệu nổi tiếng gần đây đã bắt đầu hợp tác trị giá hàng triệu đô la với NREL để cải tiến công nghệ xe chạy bằng hydro hạng nặng.

Wipke cho biết, hậu cần của việc mở rộng cơ sở hạ tầng sạc điện từ 50 kW cho một xe tải chạy pin trình diễn lên 5.000 kW cho một đội xe 100 chiếc có thể gây ra những thách thức. “Hydro có quy mô rất độc đáo; Về cơ bản bạn đang đưa hydro đến trạm tiếp nhiên liệu hoặc sản xuất tại chỗ, nhưng theo cách nào đó thì các sự kiện tiếp nhiên liệu hydro sẽ được tách ra kịp thời khỏi quá trình sản xuất hydro, mang lại lợi ích cho lưới điện. ”

Phạm vi lái xe dài và thời gian tiếp nhiên liệu nhanh — bao gồm cả mục tiêu DOE là đạt được 10 phút tiếp nhiên liệu cho xe tải PDF — đã làm cho hydro trở thành giải pháp nổi bật cho các ứng dụng trong xe nâng nhà kho. Hơn nữa, NREL đang phát hiện ra rằng các máy điện phân phân tán có thể đồng thời sản xuất hydro và cải thiện điều kiện điện áp, điều này có thể bổ sung sự ổn định rất cần thiết cho lưới điện cung cấp nhiều năng lượng hơn từ các nguồn biến thiên.

Những ví dụ đó đồng thời tối ưu hóa tính di động với lưới điện, sử dụng các công nghệ đa dạng, đang khuyến khích NREL và các đối tác theo đuổi quy mô tích hợp hệ thống mới. Một số dự án có tư duy tương lai đang hình dung lại sự di chuyển của đô thị như một hỗn hợp các giải pháp năng lượng tích hợp các điểm mạnh tương đối của công nghệ giao thông, bổ sung cho nhau để lấp đầy những khoảng trống quan trọng về độ tin cậy của lưới điện.

Tương lai của tính di động đô thị

Giao thông vận tải điện hóa sẽ như thế nào ở mức thâm nhập cao? Một vài dự án NREL cung cấp một số quan điểm. Trong số những thử nghiệm nhất, NREL đang giúp thành phố Denver phát triển một cộng đồng thông minh, tích hợp với tính năng di chuyển bằng điện và có tính năng tự động sạc và điều khiển phương tiện.

https://youtu.be/syMkqm4DTtw

Trên một con đường khác để hướng tới sự di chuyển tiên tiến, Los Angeles đã bắt tay vào kế hoạch hiện đại hóa cơ sở hạ tầng hệ thống điện - hướng tới mục tiêu cung cấp 100% năng lượng tái tạo vào năm 2045, cùng với các mục tiêu điện khí hóa tích cực cho các tòa nhà và phương tiện. Thông qua Nghiên cứu Năng lượng tái tạo 100% của Los Angeles, thành phố hiện đang làm việc với NREL để đánh giá các tác động toàn diện của quá trình chuyển đổi trong một phân tích chi tiết tích hợp các khả năng đa dạng trong phòng thí nghiệm.

Quá trình chuyển đổi sẽ bao gồm Cảng Long Beach, cảng container nhộn nhịp nhất ở Hoa Kỳ.

Tại cảng, NREL đang áp dụng loại dự báo kịch bản và đánh giá kiểm soát giống như các dự án khác, nhằm tìm ra hỗn hợp công nghệ tối ưu có thể được tích hợp cho cả sự ổn định của lưới điện và chất lượng dịch vụ đáng tin cậy:hỗn hợp nhiên liệu hydro- di động và pin EV, hệ thống lưu trữ pin, thế hệ tái tạo tại chỗ và sự phối hợp chặt chẽ giữa mọi thứ.

Hyđrô tại các cảng có ý nghĩa tương tự như xe tải:Các ứng dụng hàng hải có nhu cầu năng lượng và năng lượng lớn, ”Wipke nói. “Nhưng đó thực sự là sự hợp lực giữa các công nghệ đa dạng — cơ sở hạ tầng hiện có cho xe điện và tính linh hoạt của hệ thống pin số lượng lớn — sẽ thực sự giúp cho việc chuyển đổi sang năng lượng tái tạo cao có thể thực hiện được.”

Cảng Long Beach sử dụng hỗn hợp pin nhiên liệu hydro và pin EV, hệ thống lưu trữ pin, sản xuất tái tạo tại chỗ và sự phối hợp nhịp nhàng giữa mọi thứ.

Giống như Cảng Long Beach, các trung tâm giao thông trên toàn quốc đang thích ứng với môi trường phức tạp của các giải pháp di chuyển mới. Sân bay và nhà ga trung chuyển công cộng liên quan đến việc di chuyển hành khách, hàng hóa và dịch vụ với khối lượng vượt quá bất kỳ nơi nào khác. Với việc chuyển đổi sang phương thức di chuyển bằng điện được kết nối kỹ thuật số thay đổi cách các sân bay lập kế hoạch cho tương lai, các dự án NREL như Athena đang sử dụng sức mạnh của máy tính hiệu suất cao để chứng minh cách các trung tâm này có thể tối đa hóa giá trị của việc di chuyển hành khách và hàng hóa trên một đơn vị năng lượng, thời gian và / hoặc chi phí.

Tuy nhiên, sự phát triển về mức độ phức tạp đối với các trung tâm giao thông chỉ mới bắt đầu. Trong tương lai, các đội xe EV chia sẻ đi xe, các phương tiện tự động và các đội xe EV chia sẻ chuyến đi tự động có thể là nỗ lực lớn nhất để quản lý tính di động.

Lưới điện tự lái

Để hiểu được tác động đầy đủ của các nhà cung cấp dịch vụ di chuyển trong tương lai, NREL đã phát triển khung mô phỏng HIVE (Hệ sinh thái phương tiện tích hợp cao). HIVE kết hợp các yếu tố liên quan đến việc phục vụ nhu cầu di chuyển và hoạt động của lưới điện — chẳng hạn như sự sẵn sàng đi chung xe của khách hàng hoặc trì hoãn việc đi lại và chi phí sạc lại có thể thay đổi theo thời gian — và mô phỏng kết quả trong một môi trường tích hợp.

Câu hỏi của chúng tôi là, làm cách nào để bạn tối ưu hóa việc quản lý một đội xe có mục đích chính là cung cấp các chuyến đi và cải thiện việc điều phối và thu phí của đội xe đó? ” Eric Wood, một kỹ sư hệ thống xe NREL cho biết.

HIVE được phát triển như một phần của nghiên cứu Hệ thống năng lượng tự trị của NREL nhằm tối ưu hóa việc kiểm soát các đội xe tự động. Đó là, định tuyến và điều khiển xe điện tự động được tối ưu hóa.

Dự án hình dung cách các tín hiệu giá có thể ảnh hưởng đến các thuật toán điều phối. Hãy xem xét một khách hàng đặt đường đi làm thông qua một ứng dụng gọi xe. Ngoài đội xe gần đó — địa điểm tính phí khác nhau và liên tục thay đổi — chiếc nào nên đón khách hàng?

Bây giờ hãy xem xét chuyển động của hàng nghìn hành khách trong một thành phố và hàng nghìn phương tiện cung cấp dịch vụ vận tải. Trong số các tác nhân, sự thay đổi từng thời điểm trong cung và cầu năng lượng và sự đa dạng rộng rãi trong công nghệ của nhà cung cấp, “chúng tôi đang chơi với rất nhiều thông số,” Wood nói.

Nhưng vượt qua tất cả sự phức tạp và giữa những mô phỏng khổng lồ, mục tiêu cuối cùng cho việc tích hợp phương tiện với lưới điện là nhất quán:

Động lực cho công việc của chúng tôi là có những dự báo về tải trọng đáng kể trên lưới điện từ việc điện khí hóa giao thông vận tải, ”Wood nói. “Chúng tôi muốn đảm bảo rằng tải trọng này được tích hợp một cách an toàn và hiệu quả, đồng thời đáp ứng kỳ vọng và nhu cầu của hành khách.”

Thay thế đúng mà không cần báo trước

Xe điện không nhất thiết phải hữu ích cho lưới điện, nhưng chúng có thể hữu ích. Khi xe điện được thành lập trong lĩnh vực giao thông vận tải, NREL đang nghiên cứu cách loại bỏ mọi va chạm mà hệ thống di chuyển bằng điện có thể gây ra trên lưới điện và nâng cao bất kỳ lợi ích nào cho người đi làm hoặc ngành công nghiệp.

Meintz nói:“Chúng tôi đang cố gắng quyết định cách tối ưu hóa việc thu phí phương tiện để đáp ứng các cân nhắc về chất lượng dịch vụ, đồng thời giảm thiểu chi phí tính phí.”

Bằng cách áp dụng tính linh hoạt của EV trong việc phối hợp với các lĩnh vực năng lượng khác, NREL đang giúp hệ thống điện của chúng tôi vượt qua quá trình chuyển đổi vĩ đại nhất trong lịch sử.

Thông qua sự kết hợp của các nguồn tài nguyên mô phỏng và mô phỏng đẳng cấp thế giới, các thử nghiệm trên quy mô lớn và quan hệ đối tác chiến lược, những khám phá mà NREL đưa ra ngày nay sẽ đảm bảo rằng phương tiện di chuyển bằng điện trên diện rộng sẽ hoạt động trơn tru.

Tìm hiểu thêm về nghiên cứu của NREL trong giao thông vận tải, tích hợp lưới điện EV, hydro và pin nhiên liệu cũng như tích hợp hệ thống năng lượng.

Hình ảnh nổi bật:BMW i3 sạc tại trạm sạc nhanh Electrify America, đêm muộn, với sự cho phép của Cynthia Shahan, EVObsession