Transport is de grootste bron van broeikasgasemissies in de Verenigde Staten, goed voor ongeveer een derde van alle emissies. We zouden die uitstoot snel kunnen verlagen door voertuigen te elektrificeren, maar er is slechts één probleem:we wekken momenteel niet genoeg stroom op.

"Als al het vervoer elektrisch gaat, verdubbelen we de vraag", zegt Matthias Preindl, een EV-expert bij Columbia Engineering. "En het raster is niet gebouwd om dat te weerstaan."

Ondanks enige investeringen en uitbreiding sinds de jaren 1950, heeft het Amerikaanse net een grotendeels verouderde vloot van generatoren en maximale transmissiebelastingen als gevolg van overbelaste lijnen. Om het nog erger te maken, hebben extreme weersomstandigheden zoals hittegolven en bosbranden herhaaldelijk stroomkabels doen smelten.

De VS zouden tegen 2030 125 miljard dollar moeten investeren om de groeiende vraag naar stroom van elektrische voertuigen bij te houden, volgens een studie uit 2020. Maar wat als de EV's zelf een deel van de oplossing zouden kunnen zijn, door stroom aan het net toe te voegen? Columbia News sprak met Preindl, een professor in elektrotechniek, en Daniel Bienstock, een professor in toegepaste natuurkunde en toegepaste wiskunde, evenals industriële techniek en operationeel onderzoek.

Vehicle-to-grid (V2G)-technologie

Tegen 2030 zullen zo'n 145 miljoen elektrische auto's, bussen, vrachtwagens en bestelwagens op de weg zijn. Soort van. Gemiddeld parkeren automobilisten hun voertuig 95% van de tijd. Met bijna $ 5 miljard aan federaal geld dat onlangs is toegewezen om een ​​landelijk netwerk van EV-laadstations langs snelwegen te bouwen, kunnen al die inactieve EV's aan het werk worden gezet via voertuig-naar-net (V2G) -technologie - een idee dat volgens experts de reeds overweldigd elektriciteitsnet.

V2G-technologie omvat het gebruik van bidirectionele opladers om ongebruikte stroom van de batterijen van een EV naar het slimme netwerk te transporteren. Als een EV wordt opgeladen, wordt de AC (wisselstroom) elektriciteit van het net omgezet in de DC (gelijkstroom) van de batterijen, die vervolgens wordt gebruikt om het voertuig te laten rijden. Een bidirectionele oplader kan gelijkstroom omzetten in wisselstroom en deze overbrengen naar het elektriciteitsnet vanuit de lithium-ioncellen van de EV. Het kan ook tegelijkertijd regelen hoeveel stroom de batterij binnenkomt of verlaat.

"Potentieel kunnen EV's de grootste, gedistribueerde energieopslagfaciliteit worden die wordt ingezet," zei Preindl. "Samen zouden ze meer elektriciteit kunnen leveren dan alle conventionele energiecentrales samen."

De extra elektriciteit die V2G-technologie teruglevert aan het net, kan huizen en bedrijven van stroom voorzien in staten zoals Californië die sterk afhankelijk zijn van hernieuwbare energiebronnen voor 24-7 toegang tot elektriciteit. Vaak waren de inspanningen voor groene energie vooral gericht op het gebruik van grote wind- of zonneparken in afgelegen gebieden. Deze boerderijen hebben nieuwe en dure transmissielijnen nodig om elektriciteit te leveren aan gebieden met een hoge energiebehoefte.

En wind- en zonne-energie kunnen grote real-time variabiliteit ervaren, zei Bienstock, die ook een expert is op het gebied van stroomnetdynamiek bij Columbia Engineering.

"Vandaag de dag, zonder grote penetratie van hernieuwbare energie, wordt variabiliteit in realtime aangepakt met behulp van conventionele opwekking", zei hij. "Grote, realtime schommelingen in energiestromen kunnen een uitdaging zijn en vereisen een goede opzet van snelle opwekking en adequate transmissiemiddelen." Apparatuur in die mate upgraden is geen sinecure, wat betekent dat variabiliteit als gevolg van hernieuwbare energiebronnen een punt van zorg zal blijven. "V2G, in combinatie met een meer volledig gedistribueerde generatie, is een van de meest haalbare oplossingen voor de toekomst", zegt Bienstock.

Auto's met V2G

Tot nu toe zijn slechts vier commercieel verkrijgbare elektrische auto's V2G-compatibel:Nissan e-NV200, Nissan LEAF, Mitsubishi Outlander PHEV en Mitsubishi Eclipse Cross PHEV. Dit jaar lanceren Volkswagen, Ford en General Motors ook geleidelijk EV's die compatibel zijn met bidirectioneel opladen. Experts uit de sector voorspellen dat de V2G-markt tegen 2027 met 48% zal groeien.

Maar het inbouwen van bidirectionele kracht in het systeem is meer dan een getallenspel; technische hindernissen staan ​​ook een wijdverbreide toepassing van V2G in de weg. Het routinematig gebruik van V2G voor het opladen en ontladen van lithium-ionbatterijen van EV's kan bijvoorbeeld hun levensduur verkorten.

Vermindert V2G de levensduur van de batterij

"Vanuit een netperspectief is het het handigst wanneer veel EV's gedurende lange perioden zijn aangesloten en wanneer ze een laag tot gemiddeld laadvermogen gebruiken", zegt Preindl. "Dat is eigenlijk ook beter voor de EV. Vanuit technisch oogpunt zijn er veel dingen die V2G kan doen om degradatie van de batterij te minimaliseren."

Afgezien van het risico dat lithium-ionbatterijen beschadigd raken, zijn conventionele ontwerpen van bidirectionele of V2G-laders ook duur. Er zijn twee soorten V2G-laders:onboard en offboard. De meeste auto's gebruiken unidirectionele boordladers. De weinige V2G-laders die op de markt komen, zijn pas de afgelopen maanden online gekomen; deze vroege ontwerpen zijn meestal offboard, aan een muur gemonteerd en missen ook standaardisatie, terwijl de industrie de technologie inhaalt.

Maar onderzoekers worden steeds beter in het ontwerpen van kosteneffectieve V2G-opladers aan boord. Het laboratorium van Preindl ontwikkelt systemen die 99% efficiëntie kunnen bereiken voor slechts één cent per kilowatt. "Dat is twee tot vijf keer goedkoper, met twee tot vijf keer minder energieverliezen, dan de huidige ontwerpen," zei hij.

De mogelijkheid van V2G

Terwijl autobedrijven proberen V2G-technologie op te schalen, is er nog een lange weg te gaan voordat het kan helpen bij het koolstofarm maken van het netwerk. Vorige maand hebben ongeveer 15 nutsbedrijven in 14 staten aangekondigd dat ze V2G-pilotprogramma's voor elektrische schoolbussen zullen lanceren, volgens het World Resources Institute.

Maar ondanks de kleine initiatieven van nutsbedrijven in 2021 die aantoonden hoe effectief V2G-technologie is in het verminderen van emissies, zeggen beleidsexperts dat er meer investeringen nodig zijn om de technologie toegankelijk te maken.

"De nutsbedrijven moeten niet alleen het elektriciteitsnet upgraden in termen van nieuwe transmissielijnen en fysieke transformatoren, maar ook investeren in smart grid-technologie om te beoordelen op welk moment elektriciteit moet worden ontladen of geabsorbeerd", zegt Steven Cohen, een expert in milieuwetenschappen. en beleid aan de Columbia's School of International and Public Affairs. "De beleidshindernis waarmee V2G-technologie wordt geconfronteerd, is in feite een gebrek aan geld."

"De belangrijkste vereiste zou een financieringsregeling zijn waarin de federale overheid de initiële uitgaven zou kunnen financieren", vervolgde hij. "Vervolgens betalen lokale belastingbetalers voor de exploitatie en het onderhoud zodra de technologie op zijn plaats is. Mijn voorspelling:de staat New York en Californië zullen als eerste investeren."