Как электромобили повлияют на глобальное потребление электроэнергии

Увеличение количества электромобилей вряд ли вызовет кризис в глобальной электросистеме, но может существенно изменить временную кривую нагрузки. Насколько это критично и как мы можем повлиять на это изменение?

С одной стороны, взрывное увеличение количества электромобилей на дорогах должно привести к такому же увеличению потребления электроэнергии, но как показывает моделирование ситуации на примере Германии (где всё хорошо со статистикой, учётом и анализом), прогнозируемый рост электротранспорта не приведет к значительному увеличению общего спроса на электроэнергию в электросети в ближайшей и среднесрочной перспективе. И, следовательно, нет острой необходимости в срочном строительстве новых генерирующих объектов.

Согласно расчётам, к 2030 году, электромобили увеличат общее энергопотребление примерно на 5 ГВт, что составляет около 1%. К 2050 году эта цифра увеличится до 20 ГВт, что будет составлять 4% от общего электропотребления. Все эти дополнительные мощности перекрываются плановым вводом в эксплуатацию генерирующих мощностей, работающих на возобновляемых источниках энергии, в том числе ветряной и солнечной энергии.

Изменение формы кривой электрической нагрузки по времени Хотя увеличение продаж электромобилей вряд ли приведет к значительному увеличению общего спроса на электроэнергию, но оно, скорее всего, изменит кривую нагрузки на электросеть. Должны будут увеличиться вечерние пиковые нагрузки, когда владельцы подключают свои электромобили, по возвращении домой с работы, а коммерческий транспорт встаёт на ночную зарядку после окончания рабочего дня.

Однако и в этом случае можно говорить об относительно небольшом проценте увеличения пиковой нагрузки: примерно на 1 процент к 2030 году и примерно на 5 процентов к 2050 году. Такое увеличение не критично для энергосистемы страны в целом, однако ситуация может заметно изменится если перейти от энергосистемы страны к локальным, районным электросетям. Так как распределение электромобилей будет не равномерным и пригороды, с большим количеством частных электромобилей и частных зарядных станциях в гаражах, скорее всего, станут горячими зонами на общей карте электросети.

Такие горячие зоны в пригородах, в совокупности с мощными публичными пунктами быстрой зарядки электромобилей и пунктами зарядки коммерческого транспорта дадут значительное увеличение локальных пиковых нагрузок на местные сети. Можно смоделировать такой пик: для среднестатистического микрорайона (небольшого населённого пункта, обслуживаемого одной подстанцией) из 150 небольших частных домов с 25-процентным проникновением электромобилей в транспортный парк, согласно расчёту, пиковая нагрузка на сеть увеличится на 30%.

Это не так страшно, как кажется на первый взгляд, даже несмотря на 30%-е увеличение нагрузки на сеть. Дело в том, что хоть 1 электромобиль и может фактически удвоить потребление одного частного дома, но за счёт агрегирования по многим домохозяйствам (с электромобилями и без них) усреднённая пиковая нагрузка на подстанцию всё ещё терпима, даже в отсутствии отложенной «умной» зарядки.

Гораздо хуже обстоят дела с общественными быстрыми зарядками электромобилей, моделирование работы которой показывает, что возможности питающего трансформатора могут быть легко превышены.

Невозможность управлять временем пиковых нагрузок на сеть со стороны общественных станций, в конечном счёте приведут к выходу локальных трансформаторных подстанций на границу их возможностей и потребует модернизации этих подстанций. Если объединить данные моделирования с локальными данными о базовом потреблении домохозяйствами, то становится видно, что потребность в модернизации имеет вид S-образной кривой. То есть, при малом количестве электромобилей практически нет потребности в модернизации подстанций, по мере роста процента проникновения электромобилей в автопарк, потребность в модернизации первое время быстро растёт, но затем скорость роста заметно снижается и при высоком проценте проникновения количество электромобилей уже практически не влияет на необходимость проводить модернизацию. Она уже просто необходима. В целом, сейчас можно говорить о том, что появление в зоне обслуживания локальной электросети 1 нового электромобиля несёт необходимость в нескольких сотнях евро инвестиций в развитие местной электросети.

У поставщиков электроэнергии в настоящий момент есть несколько способов повлиять на сложившуюся ситуацию. Они могут корректировать кривую зависимости потребления энергии от времени через тарифы на электроэнергию, стимулируя владельцев электромобилей сдвигать время зарядки с вечера на глубокую ночь. Согласно анализу, такое стимулирование может вдвое снизить пиковую нагрузку. Кроме того, необходимо согласовывать время зарядки группы электромобилей между собой, так как одновременный старт большого количества зарядных станций в момент начала «дешёвого» тарифа должен будет вызвать всплеск в электросети и возможный выход из строя трансформаторной подстанции. И период заряда должен зависеть не только от времени действия тарифа, но и от времени заряда других электромобилей в локальной электросети.

Альтернативным решением может быть использование локальных накопителей электроэнергии, заряжающихся в период низкого запроса и отдающих энергию в пиковые периоды. Другим вариантом может стать использование небольших локальных теплоэлектростанций, снижающих нагрузку на центральные линии электросети.Так как стоимость батарей быстро снижается, то вариант использования накопителей энергии для сглаживания профиля энергопотребления становится всё более и более привлекательным.

Экономическое обоснование установки накопителя энергии может быть обусловлено несколькими факторами: это и уменьшение пиковых нагрузок на сеть, и снижение необходимости в модернизации трансформаторных подстанций и прямая экономическая выгода от зарядки в период более низких тарифов.

Конечно, инвестиции в модернизацию энергосистемы или альтернативные модернизации решения проблемы увеличения нагрузки будут неизбежны, но, там не менее, их можно значительно сократить если устранить основные причины увеличения нагрузки. В качестве примера можно привести полное отсутствие пиковых нагрузок за счёт смещения времени зарядки электромобилей на периоды с низким энергопотреблением. Не всё время, пока электромобиль подключён к зарядной станции происходит его заряд. Значительный период времени электромобиль либо чуть дозаряжается, либо просто простаивает. Эти периоды простоя могут составлять от 80% для частных зарядных станций до 25% для публичных. Такой значительный период простоя даёт возможность смещать время зарядки с пикового времени на менее нагруженное.

Интеллектуальное управление процессом заряда транспорта централизованно скоординированное, умное управление сетью зарядных станций может улучшить ситуацию сразу несколькими способами:

  • Во-первых, можно распределить нагрузку между станциями в зависимости от уровня заряда подключённых электромобилей в пиковый период.
  • Во-вторых, умное управление процессом заряда позволит изменить кривую нагрузки, сместив основной период заряда с пикового периода на время с низкой нагрузкой на сеть.
  • В-третьих, можно повысить экологичность процесса заряда, сдвинув время заряда на периоды с высокой долей генерации альтернативными источниками энергии (ветром или солнцем) и наоборот уменьшить объём предоставляемой электромобилям энергии при уменьшении производства возобновляемой энергии в сети.

Наконец, за счёт перераспределения времени заряда управление сетью зарядных станций может сэкономить пользователям деньги за счёт использования более дешёвых тарифов.

Развитием идеи интеллектуального управления зарядными станциями может стать система «электромобиль-сеть», которая не только сможет гибко изменять время и объём заряда электромобилей в зависимости от загруженности электросети, но и позволят электромобилям при определённых условиях возвращать часть энергии обратно в сеть, окончательно сглаживая кривую потребности в электроэнергии. Согласно опросам, большинство владельцев электротранспорта выразили готовность участвовать в подобной системе интеллектуальной зарядной сети, так как подобное участие может сэкономить им несколько сотен евро в год.

Чтобы иметь возможность реализовать эти преимущества, операторы зарядных станций, электросети и владельцы частных станций должны сделать небольшие инвестиции в инфраструктуру интеллектуальной зарядки и выработать общие правила работы. Это определённая работа, но как только она будет проделана, электромобили перестанут быть угрозой для энергосистемы. Вместо этого они станут источником дохода для их владельцев, и сделают систему в целом более рентабельной, отказоустойчивой и экологически чистой.

Елизавета Коробкова

Редактор ЭНЕРГОСМИ.РУ