Перспективы роста числа электромобилей в российских городах уже сегодня ставят вопрос о массовом строительстве зарядной инфраструктуры и обеспечении её электроэнергией. В оптимистических сценариях электромобилизации пиковый спрос на электроэнергию может увеличиться на десятки процентов, к чему крупные города, такие, как Москва, очевидно, сегодня не готовы.
Поскольку данная проблема актуальна для многих стран мира, группа авторов (Роберт А. Ф. Карри, Тедди Уорд, Джеймс Л. Карни, Грег Мандельман, Марго К. Эверетт, Арам Шумавон, Натан Фелпс, Линдси Гриффин и Стефан Раундтри) рассмотрела сценарии влияния парка электромобилей на сеть и пути удовлетворения потребностей зарядной инфраструктуры в электроэнергии на примере одного из районов штата Нью-Йорка. Статья опубликована в журнале Power & Energy (т. 21, № 6 за 2023 год).
По сведениям коммунальных служб, на территории штата резервы мощности для покрытия новой нагрузки со стороны электромобилей составляет около 300 МВт. При этом заранее неизвестны места будущей концентрации электромобилей и наличие доступных источников энергии для их зарядки. Очевидно, что потенциальный рост спроса на электромобили в изучаемом районе окажет значительное влияние на планирование и эксплуатацию не только системы распределения, но и системы передачи, а также местных распределенных источников энергии.
Чтобы определить, как внедрение электромобилей будет прогрессировать с течением времени и в плане пространственного размещения, требуется детальное понимание экономической и социальной динамики, определяющей скорость распространения электромобилей.
В качестве дополнительного источника энергии для покрытия потенциального спроса авторы предполагают использовать широко распространенные в штате крышные солнечные панели, а также системы накопления энергии. На основе анализа открытых данных были построены сценарии внедрения электромобилей и их влияния на сеть, проведена оценка мощности солнечных батарей и накопителей, необходимых для смягчения напряжения в сети в каждом сценарии.
Местоположение, размер и мощность имеющихся солнечных установок, их связи с фидерами, а также пустые крыши, пригодные для их размещения, были определены по спутниковым снимкам с помощью алгоритмов компьютерного зрения.
Процедура разработки сценариев состояла из нескольких шагов:
- Первый шаг - разработка прогнозов внедрения электромобилей на 2025, 2030 и 2035 годы, каждый из которых включал три варианта зарядки: на рабочем месте, дома и при сочетании первого и второго. «Низкий» прогноз оценивает продажи электромобилей в 5,33% авторынка к 2035 году, «средний» прогноз - 35% продаж в 2026 году, 68% к 2030 году и 100% к 2035 году. «Высокий» прогноз предполагает, что к 2035 году в штате Нью-Йорк парк транспорта на 100% будет состоять из электромобилей.
- Второй шаг: определение количества миль, которое, как ожидается, проедет автомобиль за год, для расчета количества энергии, которое ему потребуется.
- Третий шаг: определение количества и типа требуемых установок зарядного оборудования в зависимости от их размещения (односемейные дома и рабочие места). Для домов были приняты зарядные устройства уровня 2 (30 ампер/240 вольт, максимум 12 кВт), для рабочих мест - сочетание зарядных устройств уровня 2 и быстрой зарядки постоянного тока с максимальной мощностью 50 кВт.
- На четвертом шаге проведено распределение электромобилей по фидерам: для тяжелых видов транспорта (грузовики и т.п.) - с помощью компьютерного зрения, для легкового - с помощью эвристической модели, учитывающей ряд факторов (аренда/владение автомобилем, время в пути, средний доход домохозяйства, площадь застройки, количество единиц в строении). По спутниковым снимкам на карте были определены парковки с электрозаправками и без них, построен прогноз преобразования обычных парковок в электромобильные. Потенциальные места для размещения электрозаправок были определены по спутниковым картам с применением модели на платформе Vertex AI от Google Cloud. Далее была сформирована тепловая карта внедрения зарядной инфраструктуры, на которой каждый электромобиль отражался в виде точки, цвет которой зависит от вероятности использования локации для зарядки электромобиля.
- На пятом шаге был рассчитан объем поставляемой в каждой локации энергии с учетом эффективности аккумулятора электромобиля (кВт·ч/миля), его годового расхода энергии, типа и уровня мощности зарядного устройства.
- Шестой шаг включил расчеты перегрузок системы распределения на основе местоположения и совокупной мощности активов. Результаты предыдущего шага сравнивались с заявленным запасом по мощности на каждом контуре (по данным коммунальных служб). Сценарий «зарядки на работе» показал, что в 2025 году потенциальный спрос превысит 100% номинальной мощности фидеров. Во всех сценариях требуется почти 200 МВт мощности сверх 300 МВт, которые, по данным распределительной компании, доступны для нагрузки электромобилей.
- Седьмой шаг. На основе анализа ограничений распределительной системы была рассчитана мощность солнечных фотоэлектрических систем и аккумуляторных батарей, необходимая для смягчения пиковых (дневных и вечерних) перегрузок. По мере движения от «низкого» сценария к «высокому» количество фотоэлектрических панелей увеличивается, больше всего их нужно в сценарии «зарядка на работе» и «высоком» сценарии 100% внедрения к 2035 году, что потребует значительных дополнительных ресурсов.
Таким образом, в статье показан пример использования общедоступных источников данных в сочетании с данными о коммунальных услугах и обученными прогностическими моделями, что позволяет провести эффективное адресно-специфическое моделирование, на основе которого могут быть построены сценарии внедрения электромобилей и определено их влияние на сеть.
В статье также отмечается важность социальных аспектов электрификации транспорта, включая следующие аспекты. Анализ позволяет определить группу заинтересованных сторон, включая предприятия и организации, электрифицирующие свои автопарки, а также учесть интересы неблагополучных и малообеспеченных сообществ данной территории. Результаты анализа позволяют вести эффективную политику распределения затрат для создания инфраструктуры, необходимой для электрификации транспорта, как сетевой, так и стимулирования внедрения солнечных фотоэлектрических систем и аккумуляторов. Также они позволяют определить стратегии строительства зарядок «в доме» или «на рабочем месте» с учетом мнения сообществ и последствий для планирования и эксплуатации сети.
Читайте первоисточник в Power & Energy Magazine (т. 21, № 6 за 2023 год).
Подготовлено АНО «Центр «Энерджинет» при поддержке Фонда НТИ и Минобрнауки России