Введение
Система зарядки транспортных средств, позволяющая отдавать и накапливать электроэнергию. Система "от автомобиля к сети" (V2G) описывает систему, в которой подключаемые электромобили (PEV) предоставляют услуги регулирования спроса в сеть. Эти услуги включают в себя либо подачу электроэнергии в сеть, либо снижение скорости зарядки от сети. Услуги регулирования спроса снижают пиковые нагрузки на энергосистему и, следовательно, уменьшают вероятность перебоев, вызванных колебаниями нагрузки. Технологии "от автомобиля к нагрузке" (V2L) и "от автомобиля к автомобилю" (V2V) связаны с V2G, но фаза переменного тока не синхронизирована с сетью, поэтому электроэнергия доступна только для потребителей, не подключенных к централизованной сети. Подключаемые электромобили включают в себя электромобили с аккумуляторными батареями (BEV), подключаемые гибриды (PHEV) и водородные автомобили. Все они обладают способностью генерировать электроэнергию, которая обычно используется для питания самого автомобиля. Однако, поскольку автомобили большую часть времени находятся в неподвижном состоянии, их энергия остается накопленной. V2G позволяет направлять часть этой накопленной энергии в сеть, снижая необходимость в ее отборе из сети. Отчет 2015 года показал, что владельцы электромобилей могут получать существенные доходы, заряжая свои автомобили в периоды низкой нагрузки, когда электроэнергия дешевле, накапливая ее в аккумуляторе и продавая обратно в сеть в периоды пиковой нагрузки, когда цены на электроэнергию выше. Аккумуляторы имеют ограниченное количество циклов зарядки/разрядки и ограниченный срок службы, поэтому V2G может сократить срок службы аккумулятора. Емкость аккумулятора – сложная функция, зависящая от химического состава аккумулятора, скорости зарядки/разрядки, температуры, уровня заряда и возраста, но она улучшается по мере развития технологий. Большинство исследований влияния V2G на срок службы аккумулятора показывают, что более медленные скорости разрядки V2G уменьшают деградацию, в то время как одно исследование предполагает, что использование автомобилей для хранения энергии в сети может увеличить срок их службы. Водородные автомобили с топливными элементами (FCV), оснащенные баками объемом 5,6 кг водорода, могут отдавать в сеть более 90 кВт⋅ч электроэнергии. Аккумуляторы электромобилей могут хранить 100 кВт⋅ч и более. Однонаправленная зарядка V2G (UV2G) технически проще, чем отдача энергии от аккумулятора электромобиля, для чего многие PEV не предназначены. UV2G можно расширить, ограничивая другие энергопотребляющие функции, такие как отопление и охлаждение салона.
Vehicle to grid (V2G) describes a system in which plug in electric vehicles (PEVs) sell demand response services to the grid. Demand services are either delivering electricity to the grid or reducing the rate of charge from the grid. Demand services reduce the peaks in demand for grid supply, and hence reduce the probability of disruption from load variations. Vehicle to load (V2L) and Vehicle to vehicle (V2V) are related, but the AC phase is not synchronised with the grid, so the power is only available to "off grid" load. Plug in electric vehicles include battery electric vehicles (BEVs), plug in hybrids (PHEVs), and hydrogen vehicles. They share the ability to generate electricity which is typically used to power the vehicle. However, because cars spend most of the time parked, their energy remains stored. V2G allows some of this stored power to be sent to the grid, and reduces the need to take power from the grid. A 2015 report found that vehicle owners could receive significant payments by charging their EVs at off peak times when electricity is cheaper, storing it in their car battery, and selling it back to the grid at peak times when electricity prices are higher. Batteries have a finite number of charging cycles, as well as a limited shelf life, so V2G can reduce battery longevity. Battery capacity is a complex function of battery chemistry, charge/discharge rates, temperature, state of charge and age, but is improving as technology improves. Most studies of the effects of V2G on battery life show that slower V2G discharge rates lessen degradation, while one study suggested that using vehicles for grid storage could improve longevity. Hydrogen fuel cell vehicles (FCV) with tanks containing 5.6 kg of hydrogen can deliver more than 90 kWh of electricity. Vehicle batteries may hold 100 kWh or more. Uni directional V2G (UV2G) charging is technically simpler than delivering power from an EV battery, which many PEVs are not equipped to do. UV2G can be extended by throttling other activities such as air heating and cooling.
История
V2G возник как зарядка от автомобиля к автомобилю (V2V), впервые представленная калифорнийской компанией AC Propulsion в начале 1990-х годов. Их двухместный автомобиль Tzero поддерживал двунаправленную зарядку. V2G обеспечивает зарядку и разрядку как автомобиля, так и электросети.
Выравнивание пиковой нагрузки
Транспортные средства V2G могут обеспечивать электроэнергией для балансировки нагрузок сети, осуществляя "наполнение впадин" (зарядка ночью, когда спрос низкий) и "сглаживание пиков" (отдача энергии в сеть, когда спрос высок; см. "кривую утки"). Выравнивание пиковых нагрузок поддерживает регулирующие услуги (обеспечение стабильности напряжения и частоты) и предоставляет резервы мощности (для удовлетворения внезапного спроса на электроэнергию). Объединение этих услуг с "интеллектуальными счетчиками" делает возможным V2G. V2G может служить буфером для переменных источников энергии, накапливая избыточную энергию и отдавая ее в сеть в периоды высокой нагрузки. Предполагается, что коммунальные предприятия смогут построить меньше угольных и газовых электростанций для удовлетворения пикового спроса или в качестве страховки от перебоев в электроснабжении. Поскольку местный спрос легко измерить, динамическое выравнивание нагрузки может предоставляться по мере необходимости на локальном уровне. Термин "карбитраж" – портманто из слов "автомобиль" и "арбитраж" – иногда используется для обозначения процесса покупки и продажи энергии, накопленной в транспортном средстве.
V1G/Однонаправленный V2G
V1G предполагает изменение времени и скорости зарядки электромобиля. Он также известен как однонаправленные управляемые услуги по зарядке, однонаправленный V2G или "интеллектуальная зарядка". Методы V1G включают зарядку в середине дня для использования избыточной солнечной энергии, которая в противном случае была бы потеряна (снижение нагрузки), а также изменение скорости зарядки для предоставления услуг по регулированию частоты или балансировке нагрузки.
Двунаправленный локальный V2G (V2H, V2L, V2B, V2X)
Транспортное средство к дому (V2H), транспортное средство к нагрузке (V2L), транспортное средство к транспортному средству (V2V). Источник энергии может быть возобновляемым; например, автомобили, заряженные от солнечной энергии на работе в течение дня, могут питать дом ночью, не потребляя энергию из сети. К 2022 году технология V2X еще не получила широкого распространения на рынке, за исключением Японии, где коммерческие решения V2H были доступны с 2012 года. В 2022 году в Утрехте устанавливались тысячи двунаправленных зарядных устройств в преддверии появления автомобилей, поддерживающих двунаправленный обмен энергией. К 2023 году на рынок вышло несколько автомобилей, поддерживающих передачу энергии V2X. Ford F 150 Lightning обеспечивает мощность 9,6 кВт для V2L или V2H. Tesla начала поставки нового легкого грузовика Cybertruck с возможностью V2H или V2L мощностью 11,5 кВт.
Двунаправленный V2G
V2G позволяет транспортным средствам отдавать электроэнергию в сеть, за которую оплату производит оператор энергосистемы или сетевой оператор. Во многих регионах удовлетворение потребностей в электроэнергии в периоды пиковой нагрузки обходится значительно дороже, чем в остальное время. Электроэнергия от электромобилей потенциально может стать более экономичной альтернативой. Кроме того, электромобили могут обеспечивать дополнительные услуги, такие как балансировка нагрузки и регулирование частоты, включая первичное регулирование частоты и вторичные резервы. Для реализации V2G требуется специализированное оборудование (например, двунаправленные инверторы), существуют значительные потери энергии и ограниченный КПД цикла зарядки-разрядки, а также циклы зарядки/разрядки могут сократить срок службы аккумулятора. Пилотный V2G-проект, реализованный в 2016 году в Калифорнии компанией Southern California Edison, показал, что доходы от проекта оказались ниже административных расходов, что лишило его экономической целесообразности.
Двунаправленное заряжение постоянным током
Электромобили обычно поддерживают быструю зарядку постоянным током, при этом трансформатор на зарядной станции подключается непосредственно к аккумуляторной батарее автомобиля. Ведутся разработки технологии двунаправленной зарядки постоянным током – как на станцию, так и от нее – без необходимости установки дополнительного оборудования в автомобиль, используя преобразователь постоянного тока в переменный ток, расположенный на станции. В принципе, электромобили, не имеющие аппаратной поддержки V2G, смогут получить возможность двунаправленной зарядки только с помощью обновления программного обеспечения.
Эффективность
Большинство современных электромобилей используют литий-ионные элементы, обеспечивающие эффективность полного цикла более 90%. Эффективность зависит от таких факторов, как скорость зарядки, степень заряда, состояние батареи и температура. Большая часть потерь энергии приходится на компоненты системы, отличные от батареи, в частности на силовую электронику, такую как инверторы. Одно исследование показало, что эффективность систем V2G находится в диапазоне от 53% до 62%. Другое исследование сообщило об эффективности около 70%. Общая эффективность зависит от множества факторов и может значительно варьироваться.
Реализация по странам
Согласно исследованию Министерства энергетики США (DOE), растущее использование подключаемых электромобилей и других технологий, зависящих от электроэнергии, может увеличить нагрузку на энергосети США до 38% к 2050 году. Преодоление этого возросшего спроса представляет собой значительную задачу как для энергетических компаний, так и для государственных органов. Используя программное обеспечение V2G от Nuvve, батареи автобусов объединяются с другими в близлежащем школьном округе для формирования участвующего ресурса в рамках Программы снижения пиковой нагрузки (ELRP), инициированной в 2021 году Комиссией по коммунальным услугам Калифорнии. Управление пилотным проектом осуществляют SDG&E, Pacific Gas and Electric и Southern California Edison. В сентябре 2022 года в Сенат США был внесен законопроект BIDIRECTIONAL, целью которого является "создание программы, посвященной внедрению школьных автобусов с возможностью двунаправленного обмена энергией между транспортным средством и сетью (V2G)". В Северной Америке, по крайней мере, два крупных производителя школьных автобусов – Blue Bird и Lion – работают над подтверждением преимуществ электрификации и технологии V2G. По состоянию на 2020 год школьные автобусы в США потребляли дизельного топлива на сумму 3,2 млрд долларов в год. Их электрификация может способствовать стабилизации электросети, снизить потребность в электростанциях, а также сократить выбросы газообразных и твердых загрязняющих веществ и углекислого газа. В 2017 году в Калифорнийском университете в Сан-Диего поставщик технологий V2G Nuvve запустил пилотную программу INVENT, финансируемую Калифорнийской энергетической комиссией, с установкой 50 двунаправленных зарядных станций V2G по всему кампусу. В 2018 году программа была расширена и включила в себя парк электромобилей для шаттловой службы Triton Rides. В 2018 году Nissan запустил пилотную программу в рамках инициативы Nissan Energy Share в партнерстве с компанией Fermata Energy, специализирующейся на системах V2G, для частичного обеспечения энергией штаб-квартиры Nissan North America во Франклине, штат Теннесси. В 2020 году двунаправленная система зарядки электромобилей Fermata Energy стала первой, сертифицированной в соответствии с североамериканским стандартом безопасности UL 9741, стандартом для оборудования двунаправленных систем зарядки электромобилей (EV).
Япония
Япония планировала потратить 71,1 миллиарда долларов на модернизацию существующей инфраструктуры электросети. В среднем японский дом потребляет от 10 до 12 кВтч в сутки. Аккумулятор Nissan Leaf емкостью 24 кВтч может обеспечить электроэнергией до двух дней. В ноябре 2018 года в городе Тойота, префектура Айчи, корпорации Toyota Tsusho и Chubu Electric Power Co., Inc. начали демонстрационные испытания технологии V2G с использованием электромобилей. В ходе испытаний изучалось, как системы V2G балансируют спрос и предложение, а также оказывают влияние на электросеть. Две двунаправленные зарядные станции, подключенные к серверу агрегации V2G, управляемому корпорацией Nuvve, были установлены на парковке в префектуре Айчи.
Дания
Проект Edison планирует установить достаточное количество турбин для обеспечения 50% общей потребности Дании в электроэнергии, используя технологию V2G для стабилизации сети. Проект Edison планирует использовать электромобили (PEV) во время их подключения к сети для хранения избыточной энергии ветра, которую сеть не может принять. В часы пикового потребления или при штиле энергия, накопленная в этих электромобилях, будет возвращаться в сеть. Для стимулирования внедрения электромобилей, транспортные средства с нулевым уровнем выбросов получали государственные субсидии. После проекта Edison был запущен проект Nikola, целью которого была демонстрация технологии V2G в лабораторных условиях на территории кампуса Risø Технического университета Дании (DTU). DTU является партнером проекта вместе с компаниями Nuvve и Nissan. Проект Nikola был завершен в 2016 году и подготовил основу для проекта Parker, в котором для демонстрации технологии в реальных условиях использовался парк электромобилей. Партнерами в этом проекте выступили DTU, Insero, Nuvve, Nissan и Frederiksberg Forsyning (датский оператор распределительной сети в Копенгагене). Партнеры исследовали коммерческие возможности, систематически тестируя и демонстрируя услуги V2G для автомобилей разных марок. Были определены экономические и регуляторные препятствия, а также экономическое и техническое влияние этих приложений на энергосистему и рынки. Проект стартовал в августе 2016 года и завершился в сентябре 2018 года.
Великобритания
Начиная с января 2011 года, были внедрены программы и стратегии, способствующие распространению электромобилей. В 2018 году EDF Energy объявила о партнерстве с Nuvve для установки до 1500 зарядных устройств V2G. Эти устройства должны были быть предложены бизнес-клиентам EDF Energy и установлены на собственных объектах компании для обеспечения до 15 МВт емкости хранения энергии. В октябре 2019 года консорциум Vehicle to Grid Britain (V2GB) опубликовал исследовательский отчет о потенциале технологий V2G.
Польша
29 сентября 2022 года компания Solaris открыла парк зарядных станций в Болечово, Польша, для тестирования процессов зарядки и разрядки электромобилей.
Австралия
С 2020 года команда Австралийского национального университета (ANU) Realising Electric Vehicle to grid Services (REVS) изучает надежность и экономическую целесообразность технологии V2G в больших масштабах, в рамках инициативы проекта по хранению энергии в батареях и интеграции в электросеть. В 2022 году первые зарядные устройства V2G поступили в продажу в Австралии, однако их внедрение задерживалось из-за регуляторных процедур – каждое управление энергетической системой штата должно было сертифицировать их соответствие требованиям (после одобрения правительством Австралии). Ограниченное распространение также связано с высокой стоимостью и небольшим количеством электромобилей, одобренных для использования V2G (по состоянию на 2023 год, это только Nissan Leaf и некоторые гибридные электромобили Mitsubishi). Эта работа последовала за подготовкой исследователями ANU всестороннего обзора международных проектов V2G.
Германия
В Германии проект, реализованный The Mobility House в партнерстве с Nissan и TenneT, использовал Nissan Leaf для аккумулирования энергии, основной целью которого было создание ключевого решения для немецкого энергетического рынка: энергия ветра, вырабатываемая на севере страны, использовалась для зарядки электромобилей, а электромобили, в свою очередь, отдавали энергию в сеть в периоды пикового спроса, снижая зависимость от ископаемого топлива. В проекте было задействовано десять зарядных станций для автомобилей. Интеллектуальные меры по перераспределению энергии контролировались программным обеспечением. Результаты продемонстрировали, что электромобили могут использоваться для гибкого управления переменными возобновляемыми источниками энергии, зависящими от климатических условий.
Эдисон
Проект Edison в Дании, аббревиатура от "Электрические транспортные средства на распределённом и интегрированном рынке с использованием устойчивой энергии и открытых сетей", был частично финансируемым государством исследовательским проектом, реализованным на острове Борнхольм в Восточной Дании. В консорциум вошли компании IBM, Siemens, разработчик аппаратного и программного обеспечения EURISCO, крупнейшая энергетическая компания Дании Ørsted (ранее DONG Energy), региональная энергетическая компания Østkraft, Технический университет Дании и Датская энергетическая ассоциация. Проект был направлен на изучение способов балансировки непредсказуемых нагрузок на электросети, создаваемых датскими ветроэлектростанциями, которые в то время вырабатывали около 20% электроэнергии страны, с использованием электромобилей (PEV) и их аккумуляторов. Целью проекта являлась разработка необходимой инфраструктуры. В рамках проекта планировалось использовать как минимум один модернизированный Toyota Scion с поддержкой технологии V2G. Проект имел важное значение для усилий Дании по увеличению доли ветровой энергетики до 50% к 2020 году. По информации источника британской газеты The Guardian, ранее "никогда не предпринималось попыток реализовать подобный проект в таком масштабе". Проект завершился в 2013 году.
E.ON и gridX
В 2020 году энергетическая компания E. ON разработала решение V2H совместно с gridX. Обе компании внедрили это решение в частном доме для тестирования взаимодействия фотоэлектрической (ФЭ) установки, системы хранения энергии и двунаправленной зарядки. Дом оборудован тремя аккумуляторами общей емкостью 27 кВт·ч, зарядным устройством постоянного тока и ФЭ-установкой мощностью 5,6 кВтп (пиковая мощность). Для тестирования использовался Nissan Leaf объемом 40 кВт·ч.
Юго-западный исследовательский институт
В 2014 году Southwest Research Institute (SwRI) разработал первую систему агрегации V2G, сертифицированную Советом по надежности электроэнергетической системы Техаса (ERCOT). Система позволяет участвовать владельцам парков электрических грузовых автомобилей. Когда частота сети падает ниже 60 Герц, система приостанавливает зарядку транспортных средств, снижая нагрузку на сеть и позволяя частоте вернуться к нормальному значению. Система работает автономно. Изначально система была разработана в рамках программы "Демонстрация интеллектуальной энергетической инфраструктуры для повышения надежности и безопасности энергоснабжения" (SPIDERS) Фаза II, руководителем которой являлась компания Burns and McDonnell Engineering Company, Inc. В ноябре 2012 года SwRI получила контракт на 7 миллионов долларов от Инженерного корпуса армии США для демонстрации технологии V2G. В 2013 году исследователи SwRI протестировали пять станций быстрой зарядки постоянным током. Система успешно прошла интеграционное и приемочное тестирование в августе 2013 года.
Технологический университет Делфта
Профессор д-р Ad van Wijk, Vincent Oldenbroek и д-р Carla Robledo, исследователи из Делфтского технологического университета, в 2016 году провели исследование технологии V2G с использованием водородных автомобилей с топливными элементами (FCEV). Были выполнены как экспериментальные работы с V2G FCEV, так и исследования технико-экономических сценариев для 100% возобновляемых интегрированных энергетических и транспортных систем, использующих водород и электроэнергию в качестве энергоносителей. Автомобиль Hyundai ix35 FCEV был модифицирован для подачи до 10 кВт постоянного тока.
Университет Делавера
Кемптон, Адвани и Прасад провели исследования в области V2G. Кемптон опубликовал статьи, посвященные этой технологии и концепции. Операционная реализация в Европе была осуществлена в рамках проекта MeRegioMobil, финансируемого правительством Германии, при участии Opel в качестве партнера по транспортным средствам и EnBW, предоставляющей экспертные знания в области электросетей. Среди других участников исследований – Pacific Gas and Electric Company, Xcel Energy, Национальная лаборатория возобновляемой энергетики и, в Соединенном Королевстве, Уорвикский университет. В 2010 году Кемптон и Пуалан основали компанию Nuvve, специализирующуюся на решениях V2G. Компания установила партнерские отношения с представителями отрасли и реализовала пилотные проекты V2G на пяти континентах.
Национальная лаборатория Лоуренса Беркли
Национальная лаборатория Лоуренса Беркли разработала V2G Sim – платформу моделирования, используемую для анализа пространственного и временного поведения электромобилей (PEV) при подключении к сети. Модели, реализованные в платформе, исследуют проблемы и возможности, связанные с технологией V2G, такие как модуляция времени и скорости зарядки для реагирования на пиковые нагрузки и регулирования частоты в энергосистеме. Предварительные результаты показали, что управляемые услуги V2G могут обеспечивать сглаживание пиков потребления и заполнение провалов нагрузки, балансируя суточный график электропотребления и смягчая эффект "утиной кривой". Неконтролируемая зарядка электромобилей, в свою очередь, может усугублять "утиную кривую". Согласно данным V2G Sim, при ежедневном использовании V2G с 7 вечера до 9 вечера со скоростью зарядки 1,440 кВт в течение десяти лет, влияние V2G на деградацию батарей электромобилей будет незначительным по сравнению с потерями от циклической эксплуатации и естественного старения, при этом дополнительные потери емкости составят 2,68%, 2,66% и 2,62% соответственно.
Nissan и Enel
В мае 2016 года Nissan и энергетическая компания Enel объявили о совместном пилотном проекте V2G в Соединенном Королевстве. В рамках проекта было использовано 100 зарядных устройств V2G, включая Nissan Leaf и электрические фургоны e-NV200.
Университет Уорвика
WMG, Университет Уорика и Jaguar Land Rover сотрудничали с группой энергетических и электрических систем университета. Они проанализировали коммерчески доступные электромобили с подключаемым гибридным приводом (PEV) в течение двух лет. Используя модель деградации аккумулятора, они обнаружили, что при типичных режимах вождения некоторые схемы хранения энергии в сети (V2G) способны значительно увеличить срок службы аккумулятора по сравнению с традиционными стратегиями зарядки.
Недостатки
Чем больше используется батарея, тем быстрее она требует замены. По состоянию на 2016 год стоимость замены составляла примерно треть стоимости автомобиля. Батареи изнашиваются по мере использования. Дж.Б. Штраубель, тогдашний технический директор Tesla Inc, скептически отнесся к V2G, утверждая, что износ батареи перевешивает экономическую выгоду. Исследование 2017 года выявило снижение емкости, а исследование 2012 года, посвященное гибридным электромобилям, показало незначительный эффект. В исследовании 2015 года было установлено, что экономические анализы, благоприятствующие V2G, не учитывали многие неочевидные затраты, связанные с его внедрением. Когда эти затраты были учтены, исследование показало, что V2G является экономически неэффективным решением. Другая распространенная критика, касающаяся эффективности, заключается в том, что циклическая подача и отдача энергии из батареи, включая "инвертирование" постоянного тока в переменный, неизбежно приводит к потерям энергии. Этот цикл энергоэффективности можно сравнить с эффективностью 70–80% крупномасштабных гидроаккумулирующих электростанций. Энергетическим компаниям необходимо быть готовыми к внедрению этой технологии, чтобы позволить транспортным средствам отдавать энергию в сеть. Для экономически эффективной отдачи энергии в сеть транспортным средствам необходимы "умные счетчики".