Электромобильность больше не ограничивается легковыми транспортными средствами – теперь она распространяется на грузовики, суда и даже самолеты, что обусловлено во многих странах мира сочетанием климатических и экологических требований, политической динамики и технологических инноваций.
Электромобильность превращается из концепции в реальность, имеющую решающее значение для логистики. При этом мощность зарядки увеличивается с киловатт до мегаватт, и всё более очевидными становятся проблемы на уровне распределения, которые энергосистеме необходимо решить.
В статье группы авторов (Цзянь Цинь, Себастьян Ривера, Хаоюань Юй и Фреде Блаабьерг), опубликованной в т. 13 журнала IEEE Electrification Magazine (№ 3 за 2025 год), рассматриваются новые архитектуры и инновации, необходимые для перехода к эре электротранспорта.
Европейская инициатива по электрификации транспорта
Европа активно движется к полной электрификации транспорта в рамках инициативы TEN-T (Трансъевропейская транспортная сеть). Цель этой инициативы – создание к 2050 году единой магистральной инфраструктуры с нулевым уровнем выбросов, которая будет включать электрифицированные автомагистрали, железные дороги, морские порты и аэропорты, обеспеченные новым поколением технологий сверхбыстрой зарядки.
Для обеспечения надежного покрытия новой инфраструктурой ожидается, что в перспективе до 2030 года станции сверхбыстрой зарядки мощностью не менее 350 кВт будут установлены через каждые 100 км по всей протяженности европейской дорожной сети.
Проблемы обеспечения электромобильности
Переход на электротранспорт требует новых способов доставки энергии в больших масштабах. Быстрая зарядка, особенно для транспортных средств большой грузоподъемности, создает серьезную нагрузку на современные электросети. Стремительный рост мощностей зарядки создает серьезные вызовы для энергосистемы, особенно на уровне распределительных сетей.
Авторы выделяют три группы проблем, возникающих на пути реализации TEN-T.
Сетевые ограничения
Во многих развитых регионах инфраструктура распределения электроэнергии приближается к пределу своей работоспособности. В густонаселенных и высокоразвитых в промышленном отношении регионах, например, в Нидерландах, электросеть уже работает на пределе своих технических возможностей. Интеграция ВИЭ и растущее распространение электромобилей еще больше усиливают нагрузку на сетевую инфраструктуру и предъявляют новые требования как к потреблению энергии, так и к управлению выработкой.
Критическим фактором этой нагрузки является не просто общее количество потребляемой энергии, но и динамика пикового спроса на электроэнергию, что создает острую нагрузку на пропускную способность сети. По оценкам, в перегруженных зонах пользователям нужно ждать нового подключения к сети примерно 6-7 лет.
Пиковые нагрузки
Неравномерный и спорадический спрос зарядных станций на электроэнергию: фактический период активной зарядки обычно длится менее часа, и часто сопровождается длительными периодами простоя. В США средний уровень использования общественных станций быстрой зарядки постоянного тока составляет менее 11%. Редкие, но экстремально высокие нагрузки приводят к большой разнице между пиковой и средней мощностью, перегрузкам и нестабильности сети.
Экономические риски
Затраты операторов зарядных станций включают две статьи расходов: собственно плату за электроэнергию (€/кВт·ч) и т.н. «сетевой тариф» - оплату услуг местного оператора распределительной системы. Второй компонент сильно зависит от пиковой потребляемой мощности и при низкой загрузке станций делает быструю зарядку экономически невыгодной. В целом, совокупная доля расходов, связанных с электросетями (услуги по передаче и технологическое подключение), составляет более 20% от общей суммы затрат, что создает растущий риск для масштабируемости инфраструктуры быстрой зарядки.
Предлагаемые решения
Для преодоления указанных проблем авторы предлагают комплексный подход, основанный на создании инновационных зарядных хабов мегаваттного уровня.
Мегаваттные зарядные системы (MCS)
Значительный рост энергопотребления требует перехода к мегаваттным сетям зарядки с новым стандартом (до 3,75 МВт на разъем), предназначенным для коммерческого грузового транспорта. Он позволяет радикально сократить время простоя грузовиков, сопоставив перерывы на зарядку с регламентированным временем отдыха водителей.
Такие зарядные станции будут включать элементы накопления и генерации энергии, что позволяет снизить энергопотребление из сети и зависимость от нее. Сочетание этих мегаваттных зарядных устройств с аккумуляторными батареями и генераторными установками может принести больше преимуществ, чем снижение пикового спроса или оптимизация использования сети.
Интеграция накопителей энергии (BESS)
Интеграция накопителей энергии позволит снизить пиковую мощность сети и, следовательно, как нагрузку на сеть, так и плату за подключение к сети. Батареи накапливают энергию в периоды низкого спроса и отдают ее во время пиковых нагрузок, сглаживая профиль потребления от сети.
Зарядка BESS в ночные часы по низким тарифам и использование этой энергии днем позволяет снизить затраты на электроэнергию на 20%.
В статье описана оптимальная конфигурация зарядного хаба, направленная на минимизацию затрат на зарядку, состоящая из зарядного центра мощностью 3,5 МВт, системы аккумуляторных батарей мощностью 2,5 МВт и емкостью 2,5 МВт·ч, с подключением к сети мощностью всего 1 МВт, что снижает плату за электроэнергию из сети на 75%.
Несмотря на более высокие первоначальные капитальные затраты, интеграция BESS в электрозарядную инфраструктуру снижает общую себестоимость зарядки примерно на 13% по сравнению с системой, работающей исключительно от электросети.
Помимо функции регулирования спроса на электроэнергию в пиковые периоды, система BESS может выступать в качестве динамического энергетического буфера, поглощая избыточную выработку за счет распределенных источников энергии, таких как солнечные батареи для жилых домов, или обеспечивая дополнительной энергией местных потребителей, тем самым снижая нагрузку на местную электросеть.
В статье приведен ряд примеров эффективного использования BESS. Так, в Energy Superhub Oxford сверхбыстрая зарядка обеспечивается литий-ионными и проточными ванадиевыми аккумуляторами, подключенными к высоковольтному источнику постоянного тока (HV). Системы E-STOR от Connected Energy, установленные на заводах Allego в Бельгии и Германии, позволяют перепрофилировать аккумуляторы Renault с длительным сроком службы для быстрой зарядки в условиях ограниченных возможностей электросети.
В зарядных центрах Audi в Нюрнберге для модульного хранения энергии и зарядки постоянным током используются электромобильные аккумуляторы второго срока службы. Установка включает в себя шесть зарядных устройств мощностью 320 кВт, которые питаются от аккумуляторной батареи емкостью 2,45 МВт·ч и подключения к сети мощностью 200 кВт. Несмотря на ограниченную мощность сети, станция поддерживает в среднем 24 сеанса зарядки в день, вырабатывая около 800 кВт·ч. Этот пример, по убеждению авторов, свидетельствует о значительном неиспользуемом потенциале BESS.
Интеграция со средним напряжением через твердотельные трансформаторы
В статье описан новый подход, который позволяет отказаться от традиционной подстанции и подключать зарядные устройства непосредственно к сети среднего напряжения (MV) благодаря твердотельным трансформаторам (SST). Прямое подключение без использования дорогих традиционных подстанций позволяет снизить ток и улучшить качество электроэнергии. SST могут выполнять преобразование напряжения, изоляцию и регулирование в одном компактном устройстве, которое позволяет интеллектуально распределять мощность между несколькими заряжаемыми транспортными средствами или направлять всю доступную мощность на один MCS-разъем.
Схема интеграции сети MV с SST показана на рис. 1.
Выводы
Авторы резюмируют, что переход к электрическому транспорту представляет собой не просто замену топлива на электричество, а фундаментальное преобразование энергетической инфраструктуры. Зарядные хабы с интеграцией MCS, BESS, SST и интеллектуального управления являются критически важным элементом для масштабируемой и устойчивой электрической мобильности. Они решают ключевые проблемы: снимают пиковую нагрузку с сетей, снижают операционные расходы и повышают стабильность и надежность локальных распределительных сетей.
Эти решения делают массовую электрификацию тяжелого транспорта технически возможной, экономически целесообразной и практичной даже в условиях ограниченной пропускной способности существующих электросетей. В будущем такие системы, оснащенные накопителями, смогут не только потреблять, но и оказывать услуги по стабилизации энергосистемы.
Подробнее читайте исходную статью в журнале IEEE Electrification Magazine (т. 13, № 3 за 2025 год)
Подготовлено АНО «Центр «Энерджинет» при поддержке Фонда НТИ и Минобрнауки России