I veicoli elettrici non sovraccaricheranno la rete elettrica, infatti i veicoli elettrici (e il ghiaccio) sono la sua salvezza

L'ovest degli Stati Uniti sta soffrendo una forte ondata di caldo che potrebbe comportare blackout continui e promemoria di non caricare le auto elettriche nel pomeriggio. Con la California che ha anche ordinato che tutte le auto entro il 2035 siano elettriche, questo ha fatto riemergere un meme comune spesso parlato dagli oppositori dei veicoli elettrici, l'idea che la rete elettrica non possa gestirlo.

Allo stesso tempo è vero che progettiamo una rete altamente rinnovabile, ma le principali energie rinnovabili, solare ed eolica, sono intermittenti, dipendenti dall'ora del giorno e dalle condizioni meteorologiche.

Si scopre che questi due problemi possono in qualche modo annullarsi a vicenda e, combinati con alcune altre tecnologie, non ci sarà alcun problema.

Hai bisogno di più energia, non necessariamente di più potenza

È vero che affinché tutte le auto diventino elettriche, dobbiamo generare più energia elettrica. La capacità della rete può essere misurata sia in termini di produzione totale annua di energia, sia anche in base alla potenza massima, e queste sono cose diverse. L'energia è una merce come galloni di benzina o kWh. La potenza è l'erogazione istantanea di energia, la quantità di energia che puoi fornire in un secondo.

Sulla rete, la domanda e l'offerta di energia oscillano durante il giorno. Di notte sono bassi, ma nelle giornate calde la domanda continua a salire con il passare del giorno e diventa più caldo, causando la necessità di più aria condizionata. L'AC è il principale motore del picco di domanda sulla rete. La domanda tende a raggiungere il picco intorno alle 6:9, ma è ancora forte fino alle 4:9 circa, per poi diminuire nella notte. Nei periodi più freddi non c'è picco quando fa più caldo, quindi tendono a esserci due picchi (molto più bassi) durante il giorno. In qualsiasi momento la rete ha una capacità di alimentazione. Ciò oscilla durante il giorno a causa delle energie rinnovabili, ma l'obiettivo principale è assicurarsi che dalle XNUMX:XNUMX alle XNUMX:XNUMX, quando la domanda è più alta, abbiamo una capacità di fornitura sufficiente per soddisfarla. Quindi spendiamo soldi per realizzare centrali elettriche e linee di trasmissione per fornire quella fornitura.

Il grafico mostra la domanda e l'offerta della California durante l'ondata di caldo, il 3 settembre 2022. L'offerta totale era superiore a 55 gW, quindi c'era un bel po' in più, ma durante il picco dalle 3:9 alle 40:XNUMX, è superiore a XNUMX gW.

Il resto della giornata, la fornitura è ancora disponibile. Possiamo accendere tutte le centrali solo nel tardo pomeriggio, ma le abbiamo pagate e possiamo farle funzionare in altri orari se vogliamo. Alcune centrali, come le centrali nucleari, devono funzionare tutto il giorno, sono difficili da spegnere. Gli impianti efficienti a gas naturale richiedono del tempo per riscaldarsi e raffreddarsi, ma possiamo spegnerli quando non sono necessari. Gli impianti idroelettrici possono essere accesi e spenti a piacimento. Gli impianti solari ovviamente generano energia solo durante il giorno e soprattutto quando c'è il sole.

Le auto possono ricaricare a qualsiasi ora del giorno. L'auto media degli Stati Uniti percorre meno di 40 miglia al giorno, il che significa che di solito possono passare 5 giorni senza ricaricare se necessario, ma possono sicuramente scegliere quando si caricheranno purché possano collegarsi. La maggior parte si collega di notte, quando c'è la maggiore capacità di alimentazione in eccesso sulla rete e l'energia è la più economica. In futuro, altri si collegheranno al lavoro, ma ci sarà una capacità in eccesso fino alle 2:XNUMX circa per quelle auto. Un numero molto limitato di auto in viaggio su strada dovrà ricaricare nel tardo pomeriggio e pagheranno un sovrapprezzo per questo.

Le persone che non lo capivano pensavano che fosse ironico che la California avesse annunciato il piano per diventare completamente elettrico entro il 2035 la stessa settimana in cui un'ondata di caldo ha costretto loro a ricordare alle persone di non caricare dalle 4:9 alle XNUMX:XNUMX. Questo è stato riportato erroneamente poiché chiedevano alle persone di evitare di caricare le loro auto, ma in realtà il consiglio di non caricare al massimo è sempre un buon consiglio standard, non solo nelle ondate di caldo. Nessuno in California si è ritrovato con un'auto morta a causa di questa carenza, perché è solo un picco di domanda per potenza, non energia, nelle ore di punta.

(Va notato che, nonostante gli avvertimenti, l'operatore di rete della California non ha mai dovuto fare blackout continui. Semplici messaggi di testo che chiedevano alle persone di ridurre l'alimentazione hanno funzionato sorprendentemente bene.)

Un referente:

L'energia è ciò che fa un lavoro utile, come spostare le automobili e raffreddare le case. Si misura in unità come kilowattora (kWh) o anche in galloni di benzina. La potenza è la velocità del flusso di energia, misurata in kilowatt o potenza. La tua auto potrebbe aver bisogno di un gallone di benzina per percorrere 30 miglia o 7.5 kWh, ma ha bisogno di più potenza per farlo più velocemente. Soprattutto perché kW e kWh suonano così simili, le persone li confondono.

Più energia

Non abbiamo bisogno di aumentare la potenza della rete per caricare tutte le auto, ma avrà bisogno di produrre più energia. Anche se tutte le nuove auto nel 2035 saranno elettriche, non passerà fino a circa 20 anni dopo che la maggior parte delle auto a benzina lascerà la strada. Oggi gli americani percorrono circa 3 trilioni di miglia all'anno (mezzo anno luce!) Se facessero tutto questo in auto come la TeslaTSLA
Modello 3, che richiederebbe 750 terawattora in più (tWh) all'anno. Nel 2020, gli Stati Uniti hanno generato 4,000 tWh, quindi si tratta di un aumento di circa il 20%, anche se non fino al 2050 circa. È più di questo, perché ci saranno camion che consumano molta più energia per miglio e altre auto meno efficienti, e ci saranno ci saranno più auto e più guida, ma questo ti dà un'idea del retro della busta della quantità di energia extra necessaria. (Vogliamo anche spostare il riscaldamento a gas per le case e l'acqua calda dalle pompe di calore fossili alle pompe di calore elettriche, che è una discussione diversa.)

La rete elettrica statunitense è già aumentata della produzione totale di energia del 20% negli ultimi 30 anni, quindi questo è sicuramente qualcosa che è stato fatto prima senza alcuno sforzo particolare. Poiché l'aumento potrebbe essere maggiore, potrebbe essere necessario fare uno sforzo speciale. (Forse no, continuiamo a migliorare nell'essere più efficienti e molti dei nostri elettrodomestici e cose come le nostre lampadine utilizzano una frazione della potenza che usavano in passato.)

Mentre abbiamo bisogno del 20% in più di energia, non abbiamo bisogno di molta più energia a causa delle auto elettriche. Potremmo aver bisogno di più energia per altre cose, in particolare la crescita della popolazione, o potremmo averne bisogno di meno quando diventeremo più efficienti. Le nuove centrali elettriche offrono sia più potenza che più energia, anche se in modi diversi. Se avessimo pianificato di bruciare più carbone e gas, potremmo effettivamente ottenere più energia dagli impianti esistenti bruciando più carburante, ma questo non è il nostro piano, quindi avremo bisogno di più impianti rinnovabili. Non avremo bisogno di più griglia per via delle vetture, però.

Questo sforzo extra proverrà principalmente dalle energie rinnovabili, in particolare dal solare. Questo non è per nessun motivo ambientale. Oggi l'energia solare è il tipo più economico di nuova centrale elettrica da costruire. Quando si guarda al costo totale per kWh di qualsiasi tipo di impianto, il solare è il vincitore e ogni anno diventa più economico. Se vuoi solo l'energia al prezzo più basso e puoi scegliere quando utilizzarla, il solare è l'unico impianto che si basa semplicemente sul prezzo, anche se le emissioni zero sono sicuramente interessanti.

Sebbene sia pulito, silenzioso e facile da usare, il suo unico aspetto negativo è che fornisce energia solo quando c'è il sole. In effetti, se volessi generare 24 megawattora al giorno, potresti farlo con un normale impianto da 1 megawatt in funzione tutto il giorno, ma con il solare potresti aver bisogno di un impianto da 6 megawatt e otterresti solo la tua energia il giorno, a meno che tu non abbia anche spazio di archiviazione. Ma quell'impianto solare da 6 megawatt costerebbe meno per unità di energia rispetto a un impianto a gas, carbone o nucleare da 1 mW.

Per risolvere questo problema, è necessario trovare un grande carico che possa sopportare l'erogazione di energia intermittente di un impianto rinnovabile quando gli viene detto, quando il sole splende o soffia il vento.

Questo è esattamente il tipo di batterie di carico, vale a dire i veicoli elettrici. Finché un'auto è collegata, prenderà energia quando c'è un surplus e non la prenderà quando c'è una carenza. Pochissimi altri carichi sono così flessibili. Per ogni altro carico, hai bisogno della potenza quando ne hai bisogno, ma con una batteria la prendi in un momento diverso da quella in cui la usi. Un altro carico come questo è il filtraggio dell'acqua della piscina: devi solo filtrare abbastanza ogni giorno, non importa quando.

Riscaldamento e raffreddamento

Il carico più grande sulla rete elettrica, e la causa del picco di domanda, è il raffreddamento e, passando il riscaldamento dai combustibili fossili alle pompe di calore (condizionatori d'aria al contrario), diventerà anche un grande carico. Ma anche il riscaldamento e il raffreddamento possono spostare le loro esigenze, se utilizziamo attrezzature progettate per questo. Questo perché puoi immagazzinare calore (o freddo) nella "batteria" più economica di tutte: l'acqua.

I condizionatori d'aria avanzati più recenti sanno quanta aria condizionata sarà necessaria più tardi quel giorno. Durante la notte e la mattina, raffreddano e congelano l'acqua in vasche di ghiaccio isolate. Lo fanno quando l'elettricità è a buon mercato e abbondante, e quando la temperatura è più bassa e richiede meno sforzo. Più tardi, quando l'energia scarseggia, usano quel ghiaccio per raffreddare gli edifici. Le nostre previsioni di temperatura sono ora molto accurate, quindi i computer possono controllare l'intero processo per renderlo veloce ed efficiente. L'energia arriverà di notte (quando la domanda è bassa) o al mattino (quando fa ancora freddo e c'è una grande eccedenza di energia solare). L'eccedenza solare sarà così grande che tutti i carichi che possono muoversi nel tempo (come le batterie , raffrescamento e riscaldamento) prenderà l'eccedenza al mattino. Le rinnovabili hanno bisogno di stoccaggio, ma quel deposito saranno le batterie già nelle auto e i serbatoi di ghiaccio o (per il riscaldamento) di acqua calda. Ci saranno anche altri tipi di accumulo (idro pompato e batterie e altri metodi) ma ne avremo bisogno molto meno di quello che avremmo se mantenessimo i nostri vecchi condizionatori d'aria.

Pertanto, gran parte dei problemi di una futura rete rinnovabile può essere risolta con veicoli elettrici e ghiaccio. Si noti che ciò non coinvolge le auto che fungono da batterie attraverso quella che viene chiamata tecnologia "da veicolo a rete". Ciò può essere fatto una volta che le batterie avranno una durata super lunga, ma non ha senso quando le batterie delle auto costose si esauriscono mentre funzionano, a meno che l'energia non possa essere venduta a prezzi spot molto elevati durante il sovraccarico della rete.

(Lo stoccaggio del ghiaccio per il raffreddamento e il riscaldamento è stato sorprendentemente lento da implementare. Secondo Mike Hopkins, ex CEO di Ice Energy, la prima azienda nello spazio, le persone che installano l'aria condizionata non sono abituate alle cose nuove e persino al governo di base i mandati non lo stanno realizzando abbastanza velocemente. Ritiene che la legge dovrebbe iniziare a richiedere lo stoccaggio, non necessariamente il ghiaccio, per il riscaldamento e il raffreddamento nelle nuove costruzioni, e questo risolverà il problema del picco di domanda.)

Il problema del solare è che genera energia secondo il programma del sole, non il tuo. I veicoli elettrici hanno bisogno di molta più energia elettrica, ma possono accettarla secondo gli orari del sole. I due problemi lavorano per annullarsi a vicenda. Quando si aggiunge la capacità dei condizionatori d'aria, dei sistemi di riscaldamento domestici e dei sistemi di acqua calda di produrre e immagazzinare riscaldamento e raffreddamento e distribuirli in un secondo momento, è come se i problemi fossero fatti l'uno per l'altro. Naturalmente, questo non risolve tutto: avremo bisogno di altri tipi di stoccaggio, e probabilmente più eolico, nucleare e geotermico. E useremo ancora per un po' i nostri impianti a gas naturale per arrivare alle vette più alte. Alcune persone pensano che useremo persino le batterie dei veicoli elettrici per vendere l'energia alla rete al picco per evitarlo. Nel grafico sopra, la linea solare gialla diventerà molto più alta, in effetti più alta del picco di domanda, ma ciò crea un grosso problema alle 7:XNUMX quando il sole tramonta e improvvisamente tutta quella potenza di picco deve provenire da non solare.

Il modo in cui i veicoli elettrici sono la salvezza della rete è che ci permettono di costruire una tonnellata di capacità solare economica e verde e quindi ci danno un posto dove mettere tutta la produzione solare extra dalla mattina alle 3:XNUMX.

Avremo anche bisogno di installare molte più prese di ricarica dove le auto parcheggiano dalle 8:3 alle XNUMX:XNUMX, che è un misto di luoghi di lavoro e case. Mentre la notte è il momento più conveniente, l'eccedenza di energia solare a basso costo sarà al mattino. C'è ancora molto da fare, ma i veicoli elettrici, con la loro flessibilità nel prendere il potere, faranno parte della soluzione, non del problema.