Hvor mye elektrisitet vil det ta å drive elektriske biler fra fremtiden?

I dag er mindre enn to prosent av kjøretøyene som amerikanerne kjøper, elektriske. Men i løpet av de neste tre tiårene, forventer noen bilindustrieksperter at elektriske kjøretøy kan utgjøre størstedelen av USAs og globale bilsalg.

Alle fortalt, Amerikanske bilister logger om 3 bilioner mil per år, og bruker mer enn 170 milliarder liter bensin og diesel i prosessen. Konvertering av alle disse milene til elektrisitet vil stille nye krav til nasjonens system for produksjon og levering av elektrisitet.

Som en del av en stor energiinfrastrukturstudie søker vi å forstå hvordan en økning i elektriske kjøretøyer (EV) kan endre hvordan energi leveres og forbrukes. Så langt har vi funnet ut virkningen av elektriske kjøretøy vil avhenge av hvor du bor og når de belastes.

Beregner hvor mye strøm EV vil kreve

Ved å benytte en lignende teknikk som er omtalt i vårt nylige papir om hydrogenkjøretøy, utviklet vi en state-by-state vurdering av mengden elektrisitet som ville være nødvendig for å lade en elektrifisert flåte av personbiler, lastebiler og SUVer.

Vi startet med å anslå mengden bensin hvert fylke forbruker i dag. Vi konverterte deretter kjøretøy miles reist til strømkrav basert på effektiviteten til dagens EV.

Admittedly, disse metodene har begrensninger. Antallet reiste miles kan forandres vesentlig dersom autonome kjøretøy blir vanlige, og flere mennesker stole på Uber, Lyft og andre kjøretøydelingstjenester, for eksempel. Vi mener imidlertid at vår tilnærming gir et godt utgangspunkt for å estimere fremtidig strømforbruk dersom EV blir normen.

Regionale konsekvenser

Det amerikanske elnettet har kontinuerlig utviklet seg for å imøtekomme nye krav gjennom det siste århundre. Men hvis nasjonens kjøretøy skulle bli raskt elektrisk, ville rutenettet måtte forandre seg raskere. Avhengig av lokale kjørevaner og nettverksinfrastrukturen som allerede er på plass, viser vår analyse at EV-er vil ha forskjellige virkninger i ulike regioner.

Siden Texas og California bruker mer strøm enn noen andre stater, gir de et godt øyeblikksbilde av hva en fremtid fylt med elektriske biler kan se ut. I begge tilfeller vil en økning i elektriske og elektroniske komponenter øke forbruket høyere, med potensial til å spenne lokal infrastruktur.

Hvis nesten alle personbiler i Texas ble elektrifisert i dag, ville staten trenge ca 110 mer terawatt-timer med strøm per år - gjennomsnittlig årlig strømforbruk på 11 millioner boliger. Den økte etterspørselen etter elektrisitet vil føre til en økning på 30 prosent over dagens forbruk i Texas.

Til sammenligning, på grunn av et mer temperert klima, kan California kreve nesten 50 prosent mer elektrisitet enn den for tiden bruker hvis personbiler i staten ble fullt elektrifisert. Det betyr at California trenger å generere ytterligere 120 terawatt-timer med strøm per år.

En fortelling av to rister

En titt på de to staters grid demonstrerer hvordan avhengighet av EV for mobilitet kan variere fra sted til sted.

På varme sommermonter bruker Texas omtrent halvparten av strømmen som genererer strøm til klimaanlegg for å holde bygningene kule. De store sesongvariasjonene i etterspørselen etter kraft på grunn av luftkondisjonering betyr at staten har kraftverk som går tom for mange timer på året. Den ekstra kapasiteten i off-peak timer kan gjøre det lettere for Texas å møte fremtidens elektrisitetskrav til elektriske og elektroniske komponenter.

Kaliforniens mer tempererte klima betyr at staten trenger mindre strøm på sommerdager, og mindre etterspørselsvariabilitet på nettet generelt. Som et resultat, har California mindre generasjonskapasitet tilgjengelig enn Texas for å møte fremtidige ladingkrav fra elektriske biler.

I 2018 slo den elektriske pålitelighetsrådet i Texas, organisasjonen som styrer det meste av Toskas elnett, en ny toppspørsmål på omtrent 73 gigawatt på 19. juli. Ser vi på toppturene for 19. juli 2018 fant vi ERCOT Gitteret hadde ledig kapasitet til å gi mer enn 350 gigawatt-timer ekstra strøm hvis tomgangskraftverk fortsatte å operere hele dagen, ikke bare under toppspørsmål.

Basert på våre estimater, vil ladingskravene til en fullt elektrifisert flåte av personbiler i Texas være ca 290 gigawatt-timer per dag, mindre enn tilgjengelig overskudd av generasjonskapasitet. Med andre ord, Texas-nettet kunne teoretisk lade en fullt elektrifisert kjøretøyflåte i dag dersom kjøretøyene ble belastet i off-peak timer.

Når vi gjorde den samme analysen for California, fant vi imidlertid at hvis EV blir normen, kan det presse den totale etterspørselen etter elektrisitet utover den eksisterende kapasiteten til den gylne statens rutenett.

Timing er alt

Kanskje enda viktigere enn hvor mye elektrisitet EV ville forbruke er spørsmålet om når det ville bli konsumert.

Vi baserte ovenstående estimater på optimale, off-peak lading mønstre. Hvis i stedet de fleste elektriske apparater skulle belastes om ettermiddagen, ville strømnettet trenge mer generasjonskapasitet for å unngå feil.

For å møte den etterspørselen vil California og Texas måtte bygge nye kraftverk eller kjøpe mer strøm fra nabolandene enn de allerede gjør. Statene kan også trenge ytterligere overførings- og distribusjonsinfrastrukturer for å imøtekomme ny biloppladningsinfrastruktur.

Alt fortalte at overgangen til elektriske motorer fra forbrenningsmotorer kunne koste tusenvis av dollar i Texas og enda mer i California for å installere ny elektrisitetsinfrastruktur hvis mange biler skulle bli belastet i løpet av peak timer.

Incentiver kan redusere hva det vil koste å utstyre rutenettet for mange elektriske biler. For eksempel kan verktøyene belaste forskjellige priser for strøm under ulike tider av dagen og på forskjellige dager i uken. Kjent som brukstidsprimering, kan denne praksisen oppmuntre kjøretøyets lading når strøm er mer rikelig i lavtider og derfor billigere å levere.

California og andre områder, inkludert Austin, Texas, har allerede begynt å bruke forskjellige strategier for å implementere brukskurser. Andre regioner vil kanskje se nøye og vedta leksjonene på disse stedene etter hvert som antall elbiler på veien stiger.

Veien fremover

Mens EV kan øke mengden elektrisitet som USA bruker, kan investeringen som kreves for å imøtekomme dem, være mindre enn den ser ut. Mange regioner har allerede tilstrekkelig generasjonskapasitet dersom kjøretøy belastes i off-peak timer. Energilagring ombord EV kan gi den fleksibiliteten som trengs for å skifte ladetider og hjelpe nettoperatører bedre å håndtere strømforsyning og etterspørsel.

Dessuten, basert på våre beregninger, ville pengene amerikanerne spare på drivstoffkostnadene, alene kunne kompensere for disse investeringene.

Hvis for eksempel at de fleste av kjøretøyene i California hadde vært elektriske i 2017, anslår vi at bilførerne ville ha spart rundt 25 milliarder dollar det året i drivstoffkostnader - basert på gjennomsnittlige priser på strøm og bensin.

I tillegg til drivstoffbesparelser, forventer noen markedsanalytikere at elbiler skal være billigere enn konvensjonelle kjøretøy innen 2026, en annen potensiell økonomisk fordel.

Selv om det er utfordrende å forutsi fremtidige priser på bensin, elektrisitet og kjøretøy, tror vi det er sannsynlig at den utbredte bruken av elektriske motorer ville redusere de totale transportkostnadene i California og andre steder. Disse besparelsene er enda større dersom miljøfordelene, særlig lavere CO2-utslipp, tas i betraktning.

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation av F. Todd Davidson, Dave Tuttle, Joshua D. Rhodes og Kazunori Nagasawa. Les den opprinnelige artikkelen her.