Hvor meget elektricitet vil det tage for at drive elbiler fra fremtiden?

I dag er mindre end to procent af de biler, amerikanere køber, elektriske. Men inden for de næste tre årtier forventer nogle bilindustrieksperter, at elbiler kan udgøre de fleste amerikanske og globale bilsalg.

Alle fortalte, at amerikanske chauffører logger omkring 3 billioner miles om året og bruger mere end 170 milliarder gallons benzin og diesel i processen. Konvertering af alle disse vejmiljøer til elektricitet ville stille nye krav til landets system til produktion og levering af elektricitet.

Som led i en større energiinfrastrukturundersøgelse søger vi at forstå, hvordan en stigning i elbiler (EV'er) kan ændre, hvordan energi leveres og forbruges. Hidtil har vi regnet ud, hvor effekten af ​​elbiler vil afhænge af, hvor du bor, og når de bliver opkrævet.

Estimering af, hvor meget el EV'er vil kræve

Ved hjælp af en lignende teknik, der fremgår af vores seneste papir om hydrogenkøretøjer, udviklede vi en stat-til-stat-vurdering af mængden af ​​elektricitet, der ville være nødvendigt for at oplade en elektrificeret flåde af personbiler, lastbiler og SUV'er.

Vi startede med at estimere mængden af ​​benzin, som hvert amt forbruger i dag. Vi konverterede derefter køretøjs miles, der rejste til elkrav baseret på effektiviteten af ​​nutidens EV'er.

Disse metoder har ganske vist begrænsninger. Antallet af tilbagelagte miles kan ændre sig væsentligt, hvis autonome køretøjer bliver almindeligt, og flere mennesker er afhængige af f.eks. Uber, Lyft og andre køretøjsdele. Vi mener dog, at vores tilgang giver et godt udgangspunkt for at estimere fremtidens efterspørgsel efter elektricitet, hvis EV'er bliver normen.

Regionale konsekvenser

Det amerikanske elnettet har løbende udviklet sig til at imødekomme nye krav gennem det sidste århundrede. Men hvis landets køretøjer hurtigt skulle blive elektriske, skulle gitteret ændre sig hurtigere. Afhængig af lokale kørselsvaner og den netværksinfrastruktur, der allerede er på plads, viser vores analyse, at EV'er vil have forskellige virkninger i forskellige regioner.

Da Texas og Californien bruger mere el end nogen anden stat, giver de et godt øjebliksbillede af, hvad en fremtid fyldt med elbiler kan se ud. I begge tilfælde ville en stigning i elektriske motorer øge forbruget højere, med potentialet til at spænde lokal infrastruktur.

Hvis næsten alle personbiler i Texas blev elektrificeret i dag, ville staten have brug for ca. 110 terawatt-timer el pr. År - det gennemsnitlige årlige elforbrug på 11 millioner boliger. Den øgede efterspørgsel efter elektricitet ville medføre en stigning på 30 procent over det nuværende forbrug i Texas.

Til sammenligning kan Californien på grund af et mere tempereret klima kræve næsten 50 procent mere elektricitet end det, der for øjeblikket forbruges, hvis personbiler i staten var fuldt elektrificerede. Det betyder, at Californien skulle generere yderligere 120 terawatt-timer elektricitet om året.

Et tal af to gitter

Et kig på de to stateres net viser, hvordan afhængigheden af ​​EV'er til mobilitet kan variere fra sted til sted.

På varme sommermønstre bruger Texas cirka halvdelen af ​​den elektricitet, den genererer til at drive klimaanlæg for at holde bygninger kølige. De store sæsonudsving i efterspørgslen efter elektricitet på grund af klimaanlæg betyder, at staten har kraftværker, der sidder i tomgang gennem mange timer af året. Den ekstra kapacitet under off-peak timer kunne gøre det lettere for Texas at imødekomme fremtidens elkrav fra EV'er.

Kaliforniens mere tempererede klima betyder, at staten har brug for mindre strøm på sommerdage, og mindre efterspørgselsvariationer på nettet generelt. Som et resultat heraf har Californien mindre generationskapacitet end Texas for at imødekomme fremtidige opladningskrav fra elbiler.

I 2018 ramte El Pålidelighedsrådet i Texas, organisationen, der forvalter det meste af Texas 'elnettet, en ny toppefterspørgsel på ca. 73 gigawatt den 19. juli. I løbet af peak-timerne for 19. juli 2018 fandt vi ERCOT nettet havde overskydende kapacitet til at levere mere end 350 gigawatt-timer ekstra elektricitet, hvis tomgangskraftværker fortsatte med at fungere hele dagen, ikke kun under spidsbehov.

Baseret på vores estimater vil opkrævningsbehovene for en fuldt elektrificeret flåde af personbiler i Texas være omkring 290 gigawatt-timer om dagen, mindre end det disponible overskud af produktionskapacitet. Med andre ord, Texas-nettet kunne teoretisk oplade en fuldt elektrificeret køretøjsflåde i dag, hvis køretøjer blev opladet i off-peak timer.

Da vi gjorde den samme analyse for Californien, fandt vi imidlertid, at hvis EV'er bliver normen, kan det skubbe den samlede efterspørgsel efter elektricitet ud over den eksisterende kapacitet i den gyldne stats nettet.

Timing er alt

Måske endnu vigtigere end hvor meget elektricitet EV'er ville forbruge er spørgsmålet om, hvornår det ville blive forbrugt.

Vi baserede ovenstående estimater på optimale, off-peak opladningsmønstre. Hvis i stedet de fleste EV'er skulle debiteres om eftermiddagen, ville elnettet have brug for mere generationskapacitet for at undgå udbrud.

For at imødekomme denne efterspørgsel ville California og Texas skulle bygge nye kraftværker eller købe mere elektricitet fra nabostater, end de allerede gør. Staterne vil muligvis også have brug for yderligere transmissions- og distributionsinfrastruktur til at rumme ny bilopladningsinfrastruktur.

Alt fortalte, at overgangen til elektriske motorer fra forbrændingsmotorer kunne potentielt koste titusindvis af dollars i Texas og endnu mere i Californien for at installere ny elinfrastruktur, hvis mange køretøjer skulle opkræves i spidsbelastningstider.

Incitamenter kunne reducere, hvad det vil koste at udstyre nettet for mange elbiler. For eksempel kan forsyningsvirksomheder opkræve forskellige satser for elektricitet under forskellige tider af dagen og på forskellige dage i ugen. Kendt som brugstidsprimering, kan denne praksis tilskynde til opladning af køretøjer, når strømmen er mere rigelig i off-peak timer og derfor billigere at levere.

Californien og andre områder, herunder Austin, Texas, er allerede begyndt at anvende forskellige strategier til gennemførelse af brugsrater. Andre regioner vil måske se nøje og vedtage de erfaringer, der er lært på disse steder, da antallet af elbiler på vej stiger.

Vejen foran

Mens EV'er kan øge mængden af ​​elektricitet, som USA bruger, kan den investering, der kræves for at imødekomme dem, være mindre end den fremgår. Mange regioner har allerede tilstrækkelig produktionskapacitet, hvis køretøjer opkræves i off-peak timer. Energilagring om bord EV'er kunne give den nødvendige fleksibilitet til at skifte opladningstider og hjælpe netoperatører bedre med at styre udbud og efterspørgsel efter elektricitet.

Hvad derudover er baseret på vores beregninger, ville de penge, amerikanerne ville spare i brændstofomkostningerne, alene kunne kompensere for disse investeringer.

For eksempel havde de fleste af Californiens køretøjer været elektriske i 2017, vi vurderer, at dets chauffører ville have sparet omkring 25 milliarder dollars det år i brændstofomkostninger - baseret på gennemsnitspriserne på el og benzin.

Udover brændstofbesparelser forventer nogle markedsanalytikere, at elbiler bliver billigere end konventionelle køretøjer inden 2026, en anden potentiel økonomisk fordel.

Selvom det er udfordrende at forudsige fremtidige priser på benzin, elektricitet og køretøjer, mener vi, at det er sandsynligt, at den udbredt anvendelse af elektriske motorer vil reducere de samlede omkostninger ved transport i Californien og andre steder. Disse besparelser er endnu større, hvis der tages hensyn til miljøfordelene, især lavere CO2-udledninger.

Denne artikel blev oprindeligt udgivet på The Conversation af F. Todd Davidson, Dave Tuttle, Joshua D. Rhodes og Kazunori Nagasawa. Læs den oprindelige artikel her.