Transporter är den enskilt största källan till utsläpp av växthusgaser i USA och står för ungefär en tredjedel av alla utsläpp. Vi skulle snabbt kunna sänka dessa utsläpp genom att elektrifiera fordon, men det finns bara ett problem:vi genererar för närvarande inte tillräckligt med ström.

"Om all transport går elektriskt fördubblar vi i praktiken efterfrågan", säger Matthias Preindl, elbilsexpert på Columbia Engineering. "Och nätet är inte byggt för att tåla det."

Trots vissa investeringar och expansion sedan 1950-talet har det amerikanska nätet en mestadels åldrande flotta av generatorer och maxade överföringsbelastningar på grund av överbelastade linjer. För att göra saken värre har extrema väderhändelser som värmeböljor och skogsbränder upprepade gånger smält strömkablar.

USA skulle behöva investera 125 miljarder dollar till 2030 bara för att hålla jämna steg med elfordons växande krav på kraft, enligt en studie från 2020. Men tänk om elbilarna själva kunde vara en del av lösningen och lägga till kraft till nätet? Columbia News pratade med Preindl, en professor i elektroteknik, och Daniel Bienstock, en professor i tillämpad fysik och tillämpad matematik, såväl som industriteknik och operationsforskning.

Vehicle-to-grid-teknik (V2G)

År 2030 kommer cirka 145 miljoner elbilar, bussar, lastbilar och skåpbilar att vara på vägen. Ungefär. I genomsnitt parkerar förare sina fordon 95 % av tiden. Med nära 5 miljarder dollar i federala pengar som nyligen anslagits för att bygga ett rikstäckande nätverk av laddstationer för elbilar längs mellanstatliga motorvägar, skulle alla dessa lediga elbilar kunna sättas igång via fordon-till-nät-teknik (V2G) – en idé som experter säger skulle kunna förändra redan överväldigad elnät.

V2G-teknik innebär att man använder dubbelriktade laddare för att transportera oanvänd ström från en elbils batterier till det smarta nätet. När en elbil laddas omvandlas elnätets AC (växelström) el till batteriernas DC (likström) – som sedan används för att köra fordonet. En dubbelriktad laddare kan omvandla DC till AC och överföra den till nätet från elbilens litiumjonceller. Den kan också samtidigt styra hur mycket ström som kommer in i eller lämnar batteriet.

"Potentiellt kan elbilar bli den största distribuerade energilagringsanläggningen som används," sa Preindl. "Tillsammans skulle de kunna leverera mer elkraft än alla konventionella kraftverk tillsammans."

Den extra elektriciteten som V2G-tekniken matar tillbaka till nätet kan driva hem och företag i stater som Kalifornien som är starkt beroende av förnybara energikällor för tillgång till el dygnet runt. Ofta har insatserna för grön energi i första hand fokuserat på att använda stora vind- eller solparker belägna i avlägsna områden. Dessa gårdar kräver nya och dyra transmissionsledningar för att tillhandahålla el till områden med höga energibehov.

Och vind- och solenergi kan uppleva stor variation i realtid, säger Bienstock, som också är expert på kraftnätsdynamik vid Columbia Engineering.

"Idag, utan stor penetration av förnybar energi, hanteras variabilitet i realtid med hjälp av konventionell generation", sa han. "Stora, realtidssvängningar i kraftflöden kan vara utmanande och kräver korrekt uppsättning av snabb generering och tillräckliga överföringsresurser." Att uppgradera utrustning i den utsträckningen är ingen liten bedrift, vilket innebär att variationer på grund av förnybara energikällor kommer att fortsätta att vara ett bekymmer. "V2G, i kombination med mer fullständigt distribuerad generation, är en av de mest lönsamma lösningarna framåt", säger Bienstock.

Bilar som har V2G

Hittills är endast fyra kommersiellt tillgängliga elbilar V2G-kompatibla — Nissan e-NV200, Nissan LEAF, Mitsubishi Outlander PHEV och Mitsubishi Eclipse Cross PHEV. I år lanserar Volkswagen, Ford och General Motors också gradvis elbilar som är kompatibla med dubbelriktad laddning. Branschexperter räknar med att V2G-marknaden kommer att växa med 48 % till 2027.

Men att bygga in dubbelriktad kraft i systemet är mer än ett sifferspel; tekniska hinder står också i vägen för en utbredd användning av V2G. Om du till exempel rutinmässigt använder V2G för att ladda och ladda ur elbilars litiumjonbatterier kan deras livslängd minska.

Minskar V2G batteritiden

"Ur ett nätperspektiv är det mest användbart när många elbilar är anslutna under långa perioder och när de använder låg till medelstor laddningseffekt", säger Preindl. "Det är faktiskt bättre för elbilen också. Ur teknisk synvinkel finns det många saker som V2G kan göra för att minimera batteriförsämring."

Förutom risken för att litiumjonbatterier skadas, är konventionella konstruktioner av dubbelriktade eller V2G-laddare också dyra. Det finns två typer av V2G-laddare:ombord och ombord. De flesta bilar använder enkelriktade laddare ombord. De få V2G-laddare som kommit ut på marknaden har bara kommit online under de senaste månaderna; dessa tidiga konstruktioner är vanligtvis offboard, monterade på en vägg och saknar också standardisering, samtidigt som industrin kommer ikapp tekniken.

Men forskare blir bättre på att designa kostnadseffektiva V2G-laddare ombord. Preindls labb utvecklar system som kan uppnå 99 % effektivitet för så lite som en cent per kilowatt. "Det är två till fem gånger billigare, med två till fem gånger lägre energiförluster, än nuvarande konstruktioner", sa han.

Möjligheten till V2G

Medan bilföretagen försöker skala ut V2G-tekniken, är det fortfarande en lång väg kvar att gå innan det kan hjälpa till att minska koldioxidutsläppen i nätet. Förra månaden meddelade cirka 15 företag i 14 stater att de kommer att lansera pilotprogram för elektrisk skolbuss V2G, enligt World Resources Institute.

Men trots energibolagens små initiativ 2021 som bevisade hur effektiv V2G-teknik är för att minska utsläppen, säger policyexperter att det krävs fler investeringar för att göra tekniken tillgänglig.

"Företagen behöver inte bara uppgradera elnätet när det gäller nya transmissionsledningar och fysiska transformatorer utan också investera i smarta nätteknik för att bedöma vid vilka tidpunkter elektricitet behöver urladdas eller absorberas", säger Steven Cohen, expert på miljövetenskap och policy vid Columbia School of International and Public Affairs. "Det politiska hinder som V2G-tekniken står inför är i grunden en brist på pengar."

"Nyckelkravet skulle vara ett finansieringssystem där den federala regeringen kan finansiera den initiala utgiften", fortsatte han. "Då betalar lokala skattebetalare för drift och underhåll när tekniken är på plats. Min förutsägelse:New York State och Kalifornien kommer att vara de första att investera."