元々はNRELによって公開されました
電力システム全体で効率と信頼性を推進するための電気モビリティテクノロジーの価値を解き放つ
米国では電気自動車（EV）の販売が引き続き増加しているため、電力網は、再生可能エネルギーとパワーエレクトロニクスデバイスの大規模な統合という100年の歴史の中で最大の変革と並行して取り組んでいます。予想されるEVの拡大により、これらの課題はハイギアに移行し、都市は電力需要のギガワット成長と変動エネルギー量の増加に直面することになります。
多数のEVを電力システムと調整することは、非常に複雑な課題を提示します。 EVは、顧客の行動に大きく依存する可変電気負荷を導入します。電化輸送には、天然ガスやバルクバッテリーストレージなどの他のエネルギーシステムとの共同最適化が含まれます。自動ライドヘイリングEVのフリートが含まれる可能性があります
これらの変更はすべてグリッド統合の限界をテストしますが、国立再生可能エネルギー研究所（NREL）は、エネルギーシステムと輸送の交差点にチャンスがあると考えています。複雑なシステムをシミュレートおよび評価するための強力なリソースを備えたいくつかのNRELプロジェクトは、急速充電、電力需給のバランス、およびすべてのエネルギー資産の効率的な使用に必要な調整を決定しています。
適切なコントロールがあれば、NRELはモビリティをグリッドの柔軟性の力と見なします。
協調型EV充電の価値を理解するには、反対のシナリオを想像することが役立ちます。
「私たちの最初の質問は、電気自動車の充電に対する非常にシンプルで調整されていないアプローチがグリッドにどれほどの利益または負担をもたらすかです」と、NRELの電気自動車グリッド統合チームとスマートEV充電のRECHARGEプロジェクトを率いる研究者であるAndrewMeintzは述べています。 「次に、それを「ウィズバン」、すべてが接続されたアプローチと比較します。価値の違いを知りたいのです。」
「超シンプル」なアプローチで、マインツ氏は、バッテリー駆動の電気自動車は、車両の充電調整を進化させることなく、市場シェアを拡大すると説明しました。午後5時に帰宅する職場のすべての従業員を想像してみてください。そして彼らの車を充電します。これは、時速0〜100マイルに相当するグリッドであり、システムを破壊しない場合は、少なくとも非常に高価です。 NRELのElectrificationFutures Studyによると、米国のすべての経済セクターに広がる電化の影響を包括的に分析すると、2050年のEVは、電力需要のピーク時のエネルギー使用量の33％の増加に寄与する可能性があります。調達した。ダックカーブの用語では、EVはアヒルの首にさらに負担をかけます。
Meintzの「ウィズバン」アプローチは、代わりに、今後の電力需要を激化させるのではなく、スムーズにするために意図的に機能するEV制御戦略を想定しています。これは、両方を管理することを意味します およびどこ 車両は、グリッドに柔軟な負荷をかけるために充電します。
NRELの研究者であるAndrewMeintz、Soumya Tiwari、およびColin Tombariは、エネルギーシステム統合施設の光学特性評価および熱システムラボで働いています。最適化および制御ラボの電気自動車グリッド統合ベイを使用すると、研究者は、高度な高電力充電器をグリッドに安全かつ効果的に追加する方法を決定でき、建物とEV充電を組み合わせる方法を探ることができます。デニス・シュルーダー、NRELによる写真
NRELの研究者であるAndrewMeintz、Soumya Tiwari、およびColin Tombariは、エネルギーシステム統合施設の光学特性評価および熱システムラボで働いています。最適化および制御ラボの電気自動車グリッド統合ベイを使用すると、研究者は、高度な高電力充電器をグリッドに安全かつ効果的に追加する方法を決定でき、建物とEV充電を組み合わせる方法を探ることができます。デニス・シュルーダー、NRELによる写真
NRELでは、RECHARGE PDF、およびGEMINI-XFCプロジェクトのような配信システム全体
グリッドエッジでは、EVを分散型エネルギーリソース（小規模な発電または貯蔵技術）と共同最適化することができます。これは、EVフリートの調整された管理に業界の視点をもたらすイートンとのパートナーシップの対象です。
https://youtu.be/vowQ4eFJVT0
より大規模なシステムレベルでは、GEMINI-XFCプロジェクトにより、EV最適化シナリオが都市規模、具体的にはサンフランシスコベイエリアにまで拡張されました。
GEMINI-XFCには、輸送とグリッドのこれまでにない忠実度のモデリングが含まれます」と、グリッド接続エネルギーシステムのNRELリサーチマネージャーであるブライアンパルミンティエは述べています。
将来の交通シナリオと大都市圏の協調シミュレーションを組み合わせています
GEMINI-XFCとRECHARGEは、将来の電化シナリオを予測し、グリッドの混雑を緩和したり、ピーク需要を相殺したりするコントロールを挿入できます。 EVの充電には一種のシェルゲームが含まれ、グリッドの需要に対応するために充電ステーション間で負荷が継続的に移動されます。
しかし、大型車の場合、荷物を隠すのは困難です。電化されたトラックの艦隊がまもなく道路に出て、メガワットの局地的な需要を生み出します。再ルーティングの量は、大型車やその他の極端な急速充電（XFC）のインスタンスを充電する要件を回避することはできません。この課題に対処するために、NRELは業界や他の国立研究所と協力して、1MW以上の充電ステーションを実現するために必要な技術的構築を研究および実証しています
このような規模に到達するために、NRELは、ワイドバンドギャップ半導体などの先端材料に基づく新しい電力変換ハードウェアや、充電が必要な車両のフリートに独自に適した新しいコントローラーとアルゴリズムも検討しています。 1 MW以上の充電を統合するという課題は、NRELの研究をより高い電力に押し上げることにもなります。今後の機能では、他のエネルギーセクターのサポートと連携する数メガワットのシステムを検討します。
NRELでは、より大きな充電需要への取り組みは、より大きな研究能力で満たされています。 ARIESの発表により、現在の容量の10倍の規模であるエネルギーシステム統合研究への扉が開かれます。2MWから20MWに増加します。重要なのは、エネルギー需要の高いモビリティを他のユーティリティ規模の資産と共同最適化して、グリッドの安定性を高める方法を理解する機会です。
安定した負荷でグリッドのハミングが発生した場合、トラックには500 kW以上の電力が必要になり、グリッドに大きな混乱が生じる可能性があります」と、燃料電池および水素技術の研究所プログラムマネージャーであるKeithWipkeは述べています。 NRELで。
このような高い電力需要は、バッテリーストレージシステムによって部分的に満たされる可能性があります。または、水素製造で完全に隠すことができます。 Wipkeのプログラムは、DOEの水素および燃料電池技術オフィスの支援を受けて、電気を使用して水を水素と酸素に分解する装置である電解槽がXFCのグリッドへの影響をどのように相殺できるかについて研究を行っています。これらの取り組みは、頑丈な輸送、発電、金属製造など、複数のセクターで手頃な価格で効果的な水素を使用するというDOEのH2 @Scaleビジョンとも密接に連携しています。
NRELの研究者であるRishabhJain、Kazunori Nagasawa、Jen Kurtzは、電気を使用して水を水素と酸素に分解するデバイスである電解槽のグリッド統合が、極端な急速充電のグリッドへの影響をどのように相殺できるかについて取り組んでいます。
大型バッテリー式電気自動車の充電負荷に対応できる電解槽をシミュレートしています。急速充電が始まると、電解槽はランプダウンします。急速充電が終了すると、電解槽は再び上昇します」とWipke氏は述べています。 「スムーズに行われた場合、ユーティリティはそれが起こっていることすら知りません。」
電解槽は需要のない時期の安価な電子を利用するため、現場で大量の水素を生成することができます。それは、割引電力から燃料への自然エネルギー経路を作成します。したがって、最近、いくつかの有名な運輸および燃料会社が、大型水素自動車技術を進歩させるためにNRELと数百万ドルのパートナーシップを開始したのも不思議ではありません。
充電インフラストラクチャを単一のデモンストレーションバッテリー電気トラックの50kWから100台のフリートの5,000kWに拡張するロジスティクスは、課題を提示する可能性があります」とWipke氏は述べています。 「水素は非常にうまくスケーリングします。基本的には、水素を給油所に持ち込むか、現場で生産しますが、どちらの方法でも、水素燃料供給イベントは時間内に水素生産から切り離され、グリッドにメリットをもたらします。」
長いゴルフ練習場と速い給油時間-トラックの給油を10分にするというDOEの目標を含む
多様なテクノロジーを使用して、グリッドとモビリティを協調的に最適化するこれらの例は、NRELとそのパートナーが新しい規模のシステム統合を追求することを奨励しています。いくつかの先進的なプロジェクトは、都市のモビリティを、グリッドの信頼性の重要なギャップを埋めるために相互に補完する輸送技術の相対的な強みを統合するエネルギーソリューションの組み合わせとして再考しています。
電化された輸送は、高い浸透率でどのように見えるでしょうか？いくつかのNRELプロジェクトはいくつかの展望を提供します。最も実験的なものの中で、NRELは、デンバー市が電動モビリティと統合され、自動充電と車両発送を特徴とするスマートコミュニティの開発を支援しています。
https://youtu.be/syMkqm4DTtw
高度なモビリティへの別の道として、ロサンゼルスは電力システムインフラストラクチャを近代化する計画に着手しました。これは、建物や車両の積極的な電化目標とともに、2045年までに100％再生可能エネルギーの供給を目指すものです。ロサンゼルスの100％再生可能エネルギー調査を通じて、市は現在NRELと協力して、研究所全体の多様な機能を統合する詳細な分析で、移行の全面的な影響を評価しています。
移行には、米国で最も忙しいコンテナ港であるロングビーチ港が含まれます。
港では、NRELは他のプロジェクトと同じ種類のシナリオ予測と制御評価を適用して、グリッドの安定性と信頼できるサービス品質の両方に統合できるテクノロジーの最適な組み合わせを見つけています。セルおよびバッテリーEV、バッテリーストレージシステム、オンサイトの再生可能エネルギー発電、およびすべての間の極端な調整。
港での水素は、トラックと同じ理由で理にかなっています。海洋アプリケーションには、大きな電力とエネルギーの需要があります」とWipke氏は述べています。 「しかし、実際には、EVの既存のインフラストラクチャとバルクバッテリーシステムの柔軟性など、さまざまなテクノロジー間の相乗効果が、高再生可能エネルギーへの移行を真に可能にします。」
ロングビーチ港では、水素燃料電池とバッテリーEV、バッテリーストレージシステム、オンサイトの再生可能エネルギー発電、およびすべての間の極端な調整を組み合わせて使用しています。
ロングビーチ港のように、全国の交通ハブは新しいモビリティソリューションの複雑な環境に適応しています。空港や公共交通機関は、他のどこよりも多い量の乗客、商品、サービスの移動を伴います。デジタル接続された電気モビリティへの移行により、空港の将来の計画が変化する中、アテナなどのNRELプロジェクトは、高性能コンピューティングの力を利用して、これらのハブがエネルギー、時間の単位あたりの乗客と貨物のモビリティの価値を最大化する方法を実証しています。 、および/またはコスト。
ただし、交通ハブの複雑さの増大は始まったばかりです。将来的には、ライドシェアリングEV、自動運転車、自動ライドシェアリングEVのフリートは、モビリティを管理するための最大の努力を示す可能性があります。
将来のモビリティサービスプロバイダーの完全な影響を理解するために、NRELはHIVE（高度に統合された車両エコシステム）シミュレーションフレームワークを開発しました。 HIVEは、モビリティのニーズとグリッド運用に関連する要素（相乗りや移動の遅延に対する顧客の意欲、潜在的に時間的に変動する再充電のコストなど）を組み合わせ、統合環境での結果をシミュレートします。
私たちの質問は、乗り物を提供し、その艦隊の派遣と充電を改善することを主な目的とする艦隊の管理をどのように最適化するかということです。」 NRELの車両システムエンジニアであるエリックウッドは言いました。
HIVEは、自動車両フリートの制御を最適化するためのNRELの自律エネルギーシステム研究の一環として開発されました。つまり、自動化された電気自動車のルーティングとディスパッチを最適化します。
このプロジェクトは、価格シグナルがディスパッチアルゴリズムにどのように影響するかを想像しています。ライドヘイリングアプリを介して通勤を予約している1人の顧客について考えてみます。近くの車両群（さまざまに充電され、絶えず変化する場所）のうち、どれが顧客を迎えるべきですか？
ここで、都市の何千人もの乗客と輸送サービスを提供する何千台もの車両の動きを考えてみましょう。エージェントの数、エネルギーの需要と供給の瞬間的な変化、ベンダーテクノロジーの幅広い多様性の中で、「私たちは多くのパラメーターで遊んでいます」とウッド氏は述べています。
しかし、すべての複雑さを切り抜け、大規模なシミュレーションの真っ只中で、車両とグリッドの統合の最終目標は一貫しています：
私たちの仕事の動機は、輸送の電化からグリッドに大きな負荷がかかると予測されていることです」とウッド氏は述べています。 「乗客の期待とニーズに応えながら、この負荷が安全かつ効果的に統合されるようにしたいのです。」
電気自動車は必ずしもグリッドに役立つとは限りませんが、役立つ場合があります。 EVが運輸部門で確立されるにつれ、NRELは、電化されたモビリティがグリッド上で引き起こす可能性のあるバンプを均等にし、通勤者や業界に利益をもたらす方法を研究しています。
それはすべて、負荷の柔軟性にかかっています」とMeintz氏は述べています。 「私たちは、充電コストを最小限に抑えながら、サービス品質の考慮事項を満たすために車両の充電を最適にディスパッチする方法を決定しようとしています。」
NRELは、他のエネルギードメインと連携してEVの柔軟性を適用することにより、歴史上最大の移行を通じて電力システムの惰性走行を支援しています。
ワールドクラスのモデリングとシミュレーションのリソース、大規模な実験、戦略的パートナーシップの組み合わせを通じて、NRELが今日行った発見により、広範囲にわたる電化されたモビリティがスムーズに到着することが保証されます。
輸送、EVグリッド統合、水素と燃料電池、エネルギーシステム統合に関するNRELの研究の詳細をご覧ください。
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