Бурное развитие электротранспорта порождает плохо управляемые риски повышения нагрузок на сети во время зарядки электромобилей, что усугубляет проблемы операторов инфраструктуры в части балансировки спроса и предложения.
В Республике Корея разрабатывается подход к решению этой проблемы, в котором рост пикового спроса сглаживается скоординированной интеллектуальной зарядкой электромобилей и политикой многоставочных тарифов с целью сдвига пика зарядки на периоды пониженной нагрузки. Описание этого эксперимента изложено в статье «Дружественная к сети инфраструктура электромобилей. Корейский подход» авторов Ки Юн Парк, Донг Сик Янг, Сан Гок Ким, Ю Сок Лим и Юн Хо Ли, опубликованной в № 6 (т. 21) журнала IEEE Power & Energy за ноябрь – декабрь 2023 года.
Балансировку системы предлагается обеспечивать внедрением технологий интеграции электромобилей в сеть через интеллектуальные зарядные устройства, позволяющие операторам согласованно управлять режимами заряда электромобилей, а также выдавать энергию, накопленную в батареях электромобилей, в сеть (технология V2G). Преимущества интеллектуальной инфраструктуры зарядки – возможности быстрого масштабирования, в отличие от других ресурсов гибкости сети (например, гидроаккумулирующих электростанций, аккумуляторных батарей коммунального масштаба и т. д.) и отсутствие необходимости строительства новых линий электропередачи.
Развитие электромобильности в Республике Корея
В рамках курса на декарбонизацию, проводимому властями Республики Корея, установленная мощность возобновляемых источников энергии (ВИЭ) к 2030 году должна достичь 70 ГВт при общей мощности генерации в 2022 году чуть менее 140 ГВт. Важную роль в декарбонизации играет развитие электротранспорта: в 2022 году в стране было зарегистрировано около 390 тыс. электромобилей. К 2025 году их количество достигнет 1,15 миллиона, к 2030 году - 4,2 миллиона, а после 2040 года весь вновь продаваемый автотранспорт будет электрическим. Внедрение электромобилей поддерживается с помощью субсидий и скидок на национальные и местные налоги при покупке транспорта, снижения на 50% дорожных сборов и сборов за общественную парковку и других мер.
Количество общественных пунктов зарядки в Республике Корея в 2022 году достигло 193 тыс., из которых 10% - быстрые зарядные устройства постоянного тока. В 2022 году было установлено около 83 тыс. зарядных устройств. В стране самый высокий средний показатель мощности зарядного устройства - 7 кВт на один электромобиль, тогда как средний мировой показатель - 2,4 кВт. Субсидируемое финансирование медленных зарядных станций выросло в 2022 году до 74 млрд вон ($55,5 млн), быстрых зарядных станций - до 37 млрд вон ($27,7 млн). В 2021 году Hyundai Motor Group и Министерство окружающей среды установили 32 станции сверхбыстрой зарядки с зарядной мощностью до 400 кВт каждая.
В 2022 году были приняты нормативные меры для увеличения числа электрозарядок в многоквартирных домах, общественных зданиях и на парковках. В новых домах зарядные устройства должны быть установлены не менее чем на 5% от общего числа парковочных мест, в существующих - не менее чем на 2%.
Последний стандарт зарядки, ISO/IEC 15118, вводит процедуру plug-and-charge (PnC), включающую автоматическую аутентификацию и авторизацию личности пользователя при подключении к зарядке с помощью цифрового сертификата.
Для повышения качества услуг ведущая энергетическая компания Республики Корея - KEPCO - в 2020 году запустила сервис роуминга в реальном времени ChargeLink с платежами между различными операторами электрозарядных станций, который обеспечивает также выставление счетов, расчеты между предприятиями и т. д.
Сдвиг времени зарядки
В 2022 году ВИЭ составляли всего 7,5% от общей выработки электроэнергии в Корее. Но остров Чеджу-до, который находится в 90 км от юго-западного побережья Корейского полуострова, в 2022 году имел долю ВИЭ более 18% в выработке и 49% в установленной мощности. К 2030 году на Чеджу планируется установить 1,4 ГВт фотоэлектрических панелей и 2,35 ГВт ветровых генераторов. При этом с 2015 года местный сетевой оператор вводит ограничения на выдачу ВИЭ в сеть для поддержания баланса мощности.
Проблему использования избыточной в определенные часы генерации на базе ВИЭ попытались решить за счет повышения гибкости спроса на электроэнергию, которая может обеспечивать балансировку. В марте 2021 года власти острова запустили услугу по управлению гибкостью спроса Plus DR (DR - программа управления спросом), которая предоставляет вознаграждение участникам за повышенное потребление электроэнергии в периоды избыточного предложения ВИЭ.
Основным ресурсом энергетической гибкости в Plus DR являются электромобили: их доля в общем парке автотранспорта на острове в 2022 году составила почти 5%, что значительно выше среднего показателя по стране (1,5%). В сотрудничестве с провинциальным управлением Чеджу компания KEPCO реализовала пилотный проект Plus DR с использованием зарядных устройств для электромобилей, в котором была зарегистрирована общая мощность 15 МВт общественных зарядных устройств (282 быстрых и 239 медленных зарядных устройств).
Для оценки потенциала электромобилей в качестве ресурса гибкости для энергосистемы Исследовательский институт KEPCO провел демонстрационную программу по однонаправленной интеллектуальной управляемой зарядке (V1G), в которой пользователи подключают свои электромобили к зарядному устройству переменного тока V1G и устанавливают желаемый уровень заряда аккумулятора и время в приложении на своих смартфонах. Система контроля и управления V1G генерирует график зарядки и запускает зарядку с учетом данных пользователей и информации о тарифах TOU.
Тарифы TOU, в которых цена потребления электроэнергии меняется в зависимости от периода и сезона, призваны минимизировать влияние пиковой нагрузки. В тарифах TOU для зарядки электромобилей коэффициенты ставок пиковых и непиковых часов варьируются от 1,2 до 3,1.
В течение года было проведено 8531 сеансов зарядки, которые потребляли в общей сложности 168 тыс. кВт·ч. Снижение нагрузки было выполнено 330 раз, с совокупным временем контроля почти 200 часов. Большинство сеансов зарядки наблюдалось между 8 утра и 7 вечера.
Выдача энергии в сеть
Сдвиг использования избыточной генерации ВИЭ (в основном, СЭС) с дневного на вечернее время возможен при двунаправленной зарядке с обратной передачей мощности от электромобиля, подключенного к сети через V2G. Это позволяет избежать роста пикового спроса на дорогую газовую генерацию.
С 2018 года KEPCO начала разрабатывать систему переменного тока V2G мощностью 7 кВт на основе стандарта ISO/IEC 15118, пригодную для установки в серийных электромобилях. В 2021 году технология V2G была внедрена в массовые электромобили и зарядные устройства коммерческого класса. Демонстрации V2G показали, что выход разряжаемого транспортного средства на заданную мощность стабилизируется в течение максимум 20 секунд с момента подачи команды разряда V2G. Этот уровень реагирования может использоваться системными операторами для поддержания стабильности или обеспечения гибкости в зависимости от условий сети.
Зарядка и разрядка по технологии V2G могут выполняться с использованием как переменного, так и постоянного тока. В AC V2G преобразование постоянного тока в переменный выполняется с помощью двунаправленного бортового зарядного устройства в автомобиле, а в DC V2G преобразование постоянного тока в переменный выполняется с помощью внешнего зарядного устройства.
Система контроля и управления V2G управляет графиками зарядки каждого зарядного устройства на основе настроек водителя, тарифов TOU и потребностей сети. Она автоматически участвует в DR, регулируя время зарядки и разрядки в заданном диапазоне.
При подключении электромобиля зарядное устройство получает от него данные о текущем уровне заряда и передает их в систему управления. Графики зарядки и разрядки динамически изменяются в соответствии с потребностями коммунальной службы или системного оператора в пределах установленных пользователем целевых значений.
Виртуальный системный накопитель
Для использования потенциала электромобилей в электросети в качестве ресурса гибкости они должны иметь возможность работать вместе как одна большая батарея, или виртуальная система хранения энергии, для чего требуется одновременный контроль всех зарядных устройств и высокая скорость их реагирования. Эффективность гибкости системы оценивалась при одновременной зарядке и разрядке нескольких электромобилей. В экспериментах на испытательном стенде совокупное время перехода от заряда к разрядке или обратно для пяти электромобилей с зарядными устройствами переменного тока V2G составляло приблизительно 6 с.
KEPCO провела эмпирические исследования функций управления V2G, удобства пользовательских приложений и моделей использования в повседневной жизни. С июля 2022 года по март 2023 года было проведено 3105 сеансов зарядки на 72 тыс. кВт·ч и 117 контрольных сеансов на 2,3 тыс. кВт·ч. Опросы показали высокую (более 70%) удовлетворенность пользователей качеством инфраструктуры и услуг.
По мнению авторов статьи, электромобили и их батареи могут обеспечить огромный объем гибкости для облегчения энергетического перехода. При объединении 500 тыс. электромобилей, способных поддерживать V2G при 10 кВт, они могут стать очень гибким источником хранения энергии объемом 5 ГВт без модернизации сети и инвестиций в хранение. В целом, ожидается, что технология интеллектуальной зарядки и V2G будет коммерциализирована в течение нескольких лет.
***
В очередной раз можно убедиться в том, что возникающие практики нового энергетического уклада приводят к возникновению нового типа энергетического обмена и связанными с этим новым экономическим отношениям. Для поддержания практик данного типа подходит архитектурный фреймворк Интернета энергии, разработанный в сообществе Энерджинет.
Подробнее читайте исходную статью в IEEE Power & Energy за ноябрь – декабрь 2023 года / № 6 (т. 21).
Подготовлено АНО «Центр «Энерджинет» при поддержке Фонда НТИ и Минобрнауки России
