En dag kan efterfrågan på el för att ladda elfordon överväldiga elnätet, om inte elsektorn är beredd på utmaningen.

Med en växande flotta av elbilar på vägen är nätplanerare beroende av exakta uppskattningar av laddningsmönster för att beräkna elbehovet. Ett team av forskare vid Stanford University sammanställde en skalbar probabilistisk modell för laddningsefterfrågan som kan tillämpas på en flexibel grupp av populationer och som står för ett brett spektrum av faktorer. Inom Kalifornien fann modellen att 2030 – i ett scenario där de flesta elbilsägare väljer att ladda sina fordon när de kommer hem varje kväll – skulle toppladdningsefterfrågan vara mer än dubbelt så hög som om förare laddade hela dagen hemma, på jobbet och allmänna stationer. År 2030 kommer laddning av elbilar att utgöra en betydande del av efterfrågan på el i avancerade ekonomier, så att hålla toppefterfrågan så låg som möjligt skulle minska behovet av nya generatorer och transmissionsledningar.

"Vi ville skapa ett modellramverk för långsiktig planering som fångar verkliga förares laddningsmönster och tar hänsyn till osäkerhet", säger Ram Rajagopal, seniorförfattare till studien, som publicerades i 1 mars upplagan av Applied Energy , Rajagopal är docent vid Stanfords avdelning för civil- och miljöteknik.

Dagens 7 miljoner elbilar globalt förväntas svälla till 400 miljoner år 2040. För att stödja denna nästan 60-faldiga ökning måste världen göra betydande uppdateringar av elbilsstödjande infrastruktur, inklusive genereringskapacitet, överföring och distribution, teknik för smarta elnät och uppskattningsvis 300 miljoner lättillgängliga laddstationer.

Bytet från bensindrivna fordon till elektriska är nyckeln till att minska koldioxidutsläppen från mänsklig aktivitet. Förarnas möjligheter att ladda elbilar måste vara bekväma och rikliga för att den växlingen ska ske. Framtida politiska beslut kan underlätta enkel, pålitlig och prisvärd laddning.

"Vi förutser att detta kommer att användas av människor inom allmännyttiga industrier, såväl som inom myndigheter, som vill ha ett datadrivet tillvägagångssätt för att studera framtida scenarier", säger Siobhan Powell, medansvarig forskare för studien och en doktorsexamen. kandidat vid Stanfords Department of Mechanical Engineering.

Forskarnas modell syftar till att ge nätplanerare och beslutsfattare just den informationen:var, när, hur, hur mycket och hur ofta förarna tar betalt. På en vanlig bärbar dator kan modellen simulera laddningsdata för 100 miljoner elbilar på cirka 10 minuter, sa forskarna.

Mångfaldigare befolkning

Idag sker merparten av Kaliforniens laddning av elbilar i småhus. Forskarna förutspår dock att personer med mindre tillgång till laddning i hemmet - som lägenhetshyresgäster och bostadsrättsägare - kommer att övergå till elbilar och andelen laddning i hemmet kommer att sjunka. Samtidigt skulle arbetsplatserna kunna installera fler laddstationer och elbolag kan stimulera till laddning vid olika tidpunkter på dygnet. Modellen kan ta hänsyn till flera faktorförändringar.

"I modellen fångar vi förarens beteende, vilket inkluderar när de laddar, tidpunkten för deras laddning och hur mycket energi de använder. Vi fångar också plats, som hemma eller på arbetsplatsen", säger Gustavo Cezar, den andra medledaren forskare. Cezar är en Ph.D. kandidat inom civil- och miljöteknik, och en stabsingenjör vid Stanfords SLAC National Accelerator Laboratory.

Vissa av dagens förare använder också automatiska timers för att diktera när deras bilar laddas. Timrarna spårar elpriserna och laddar fordon när det är billigast att göra det. Men om ett stort antal timers användes kan de orsaka en ökning av efterfrågan på el på nätet. Klockan 23.00 kan Kaliforniens laddningsbehov för elbilar nå en topp i storleksordningen 8,725 GW år 2030. Det typiska dagliga toppbehovet för all el i Kalifornien är för närvarande i storleksordningen 25 GW, så laddning av elbilar skulle utgöra en stor del av all elbehov .

Detta kan skapa ett antal problem, särskilt om nätet inte är utrustat för att hantera denna efterfrågan. Som jämförelse ledde scenarier utan timerstyrning och där laddningen spreds över dagen till ett mindre toppbehov på under 4 GW.

"Nätoperatörer måste oroa sig för tillförlitlighet och kostnader. Utan planering kan de i värsta fall sluta med ett avbrott, eller även om de kan tillgodose all efterfrågan, sluta med höga kostnader för elen", säger Powell.

Politiska beslut som fattas med detta i åtanke skulle kunna stimulera till laddning i en mer distribuerad takt, vilket skulle kunna begränsa investeringar i elinfrastruktur samtidigt som nätets tillförlitlighet bibehålls. Ramverket som skapats av forskarna kan också utökas till att inkludera andra faktorer som veckodag, säsong, semester eller region.

Men, sa Cezar, att helt enkelt byta till elbilar från bränsleförbrännande bilar, motorcyklar och små lastbilar kanske inte räcker i sig för att avkolna lätta fordon. Han sa att bland allt prat om att byta till elbilar, får föroreningarna från produktionen av el som laddar dem för lite uppmärksamhet.

"Här i Kalifornien använder vi i första hand solenergi under dagen, så vi kommer att behöva anskaffa fossil bränsleproduktion för att försörja laddningsbelastningen över natten, särskilt om fokus ligger på laddning av bostäder," sa han "Nästa steg är ta reda på hur man på ett hållbart sätt kan öka antalet elbilar."

Cezar sa att teamet arbetar med att dela upp sin modell och tillämpa den på smalare platser, som stadsdelar och campus, för att hjälpa planerare att undvika överväldigande lokala eldistributionssystem.