Bruk lagret vind- eller solenergi til hurtiglading av elbiler

De fleste av disse kjøretøyene vil lades sakte mens de står parkert over natten koblet til en veggboks. Noen vil lade raskere ved gateladepunkter, mens superrask lading vil bli mulig på fremtidens bensinstasjoner. Med flere ladepunkter som opererer samtidig, vil etterspørselen på det lokale kraftnettet være betydelig og uten massive investeringer i overføringslinjer og kraftverk for å levere nok kapasitet, kan lokale nettkollaps bli vanlig. I denne artikkelen ser vi på situasjonen til EV-lading i dag og vurderer nivåene av kraftbehov som må møtes i en ikke altfor fjern fremtid. Vi vurderer deretter hvordan denne etterspørselen kan møtes på en praktisk, bærekraftig og kommersielt levedyktig måte.

Lading av elbil i dag

AC-ladeinfrastrukturen som brukes i dagens offentlige og private installasjoner varierer i mengden strøm den leverer. Nivå 1 AC-ladere fungerer på 120 V (2 kW maksimum) mens nivå 2-ladere opererer på 240 V og leverer opptil 20 kW strøm. I begge scenariene skjer konverteringen fra vekselstrøm til likestrøm i laderen ombord i kjøretøyet i stedet for i veggboksen (som i stor grad utfører beskyttelses- og målefunksjoner). På grunn av kostnads-, størrelses- og vektbegrensninger er den innebygde laderen i en bil typisk vurdert til under 20 kW. Alternativt, hvis DC-lading ble brukt (i stedet for AC), kunne lading skje ved mye høyere effektnivåer. Nivå 3 DC-ladere er klassifisert opp til 450 V (150 kW maksimum), og nyere superladere går opp til 800 V (350 kW maksimum). Av sikkerhetsgrunner er den øvre spenningen begrenset til 1000 V mens ladepluggen er koblet til kjøretøyet. Ved DC-lading utføres strømkonverteringen i ladestasjonen som kobles direkte til bilens batteri. Dette fjerner kravet om at et kjøretøy skal ha en lader om bord, noe som gjør det enklere og frigjør plass.

Fremtidig etterspørsel

Etter hvert som flere elbiler dukker opp på veien, vil sjåførene forvente å kunne lade bilene sine på kortere tid. La oss se på følgende ladescenario som sannsynligvis vil bli en realitet om mindre enn 10 år: En ladestasjon ved veikanten har fem likestrøms ladestasjoner og fem biler stopper samtidig for å lade ved hver stasjon. Hvis hver bil har et batteri på 100 kWh som allerede er 25 % ladet og føreren ønsker å lade det til 75 % på 15 minutter, er den totale mengden strøm som skal leveres fra nettet til ladestasjonen:

5 * (75%-25%) *100 kWh/0,25t = 1MW

Nettet som forsyner ladestasjonen vil kreve kapasitet til å håndtere disse periodiske 1 MW-toppene, og dette har flere konsekvenser for kraftinfrastrukturen. Svært effektive og kompliserte trinn for aktiv effektfaktorkorreksjon (PFC) vil være nødvendig for å sikre at frekvensen til nettet ikke påvirkes og at det forblir stabilt og effektivt. Det vil også være nødvendig med kostbare transformatorer for å koble lavspent-ladestasjonen til høyspentnettet, og kablene som fører kraft fra kraftverket til ladestasjonen vil kreve riktig dimensjonering for å håndtere nivået på strøm som leveres. For kjøretøy med batterier med høyere kapasitet vil toppeffektbehovet være enda større.

Solenergi tetter gapet

En enklere og mer økonomisk løsning, som unngår kravet om å installere nye overføringslinjer og store transformatorer, er å bruke kraften som genereres lokalt fra fornybare kilder som sol eller vind. Disse er i sin natur også periodiske, men hvis de håndteres forsiktig kan de brukes til å møte de periodiske kravene som stilles til nettet skapt av EV-lading. Prisen på solcelleteknologi (PV) har falt med nesten 80 % i løpet av det siste tiåret, og dette bidrar til den kontinuerlige veksten i fornybare energisystemer som igjen drives av kravet om å redusere karbonutslipp. I dag representerer solenergi mindre enn 5 % av den globale elektrisiteten som produseres, men forventes å vokse til mer enn en tredjedel innen 2050. Veksten av solenergi vil påvirke hvordan elektrisitet produseres og forbrukes – kraftstasjoner vil måtte administreres på måter som sikrer at nettet ikke er overbelastet, og folk vil i økende grad forbruke elektrisitet produsert i solcelleanlegg installert i egne hjem. Dette vil skape krav om nøye balansering av tilgangen på sentralisert nettkraft og lokalisert fornybar energiproduksjon, med varierende behov. For vårt eksempel med ladestasjon; ved å koble den direkte til et undernett drevet av en solcelleinstallasjon (PV) med kapasitet til å levere 500 kW, ville det bare kreve 500 kW levert fra hovednettet.

Utjevning ved lagring av energi

Imidlertid vil bruk av strøm fra en PV-installasjon bety at de raskeste ladehastighetene kun kan oppnås i dagslys når solen skinner på sitt sterkeste – noe som er uholdbart. En mer realistisk løsning kan oppnås ved også å bruke et energilagringssystem (ESS). Disse er den elektriske ekvivalenten til gass- eller oljelagringstanker som kan brukes i flere applikasjoner (husholdning og industri). I en hjemmeapplikasjon vil det være enkelt å koble en PV-omformer til et batteri som lades av sollys i løpet av dagen, og som deretter kan brukes til å lade en EV over natten. I et industrielt miljø kan ESS-installasjon brukes til forskjellige formål: Regulering av kraft fra PV og andre fornybare kilder eller for å gi backup-støtte for «svarte» oppstarter, og ikke minst, fjerner kravet til dieselgeneratorer. Bruken av ESS er også økonomisk fornuftig fordi de tillater at eksisterende overføringslinjer kan oppgraderes eller erstattes gradvis over lengre tidsrammer etter hvert som etterspørselen etter raskere EV-lading vokser. Markedet for disse systemene forventes å vokse raskt fra 20 GWh i dag til å overstige 2000 GWh innen 2050. For vår ladestasjon vil en ESS oppføre seg som et stort batteri som er i stand til å lagre og levere energi fra en solcelleinstallasjon (eller andre fornybare kilder) til ladestasjonene etter behov, med eventuell overskuddsenergi levert til nettet. Størrelsen på ESS vil bli valgt for å finne den beste balansen mellom behovet for toppeffekt og energilagringskapasitet med et forhold som er sterkt avhengig av tilgjengelig lokalt generert kraft (sol, vind eller annet), antall ladepunkter, og andre lokalt tilkoblede laster.

Etter hvert som salget av elbiler øker, vil brukerne forvente at det blir mulig å lade bilene sine på kortere tid, og dette betyr at etterspørselen etter infrastruktur for hurtiglading av elbiler vil vokse raskt. En rask analyse har vist at det eksisterende nettet ikke er laget for å takle disse periodiske toppeffektene. Å bruke en kombinasjon av solcelleanlegg og energilagringssystemer kan representere et realistisk og kommersielt levedyktig alternativ til infrastrukturell oppgradering av nettet som ellers vil være nødvendig.