Đảo ngược năng lượng ắc quy từ xe điện sang lưới điện có thể mở ra một hướng đi nhanh đến một tương lai khộng phát thải
Học viện Công nghệ Massachusetts
Trong tương lai, xe điện có thể thúc đẩy tăng trưởng năng lượng tái tạo bằng cách đóng vai trò “lưu trữ năng lượng trên bánh xe”—sạc pin từ lưới điện như hiện tại, cũng như đảo ngược dòng điện để gửi điện trở lại và cung cấp các dịch vụ hỗ trợ cho lưới điện. Ảnh: Ehsan Faridi và Ehsan Keshavarzi/Inmywork Studio
Chủ sở hữu xe điện (EV) đã quen với việc cắm vào các trạm sạc ở nhà và tại nơi làm việc và nạp đầy pin bằng điện từ lưới điện. Nhưng một ngày không xa, khi những người lái xe này cắm điện, ô tô của họ cũng sẽ có khả năng đảo ngược dòng chảy và đưa các điện tử trở lại lưới điện. Khi số lượng xe điện tăng lên, pin của hạm đội có thể đóng vai trò là nguồn năng lượng quy mô lớn, tiết kiệm chi phí, có khả năng tác động mạnh mẽ đến quá trình chuyển đổi năng lượng, theo một bài báo mới được xuất bản bởi một nhóm MIT trên tạp chí Energy Advances.
"Ở quy mô lớn, phương tiện kết nối với lưới điện (V2G) có thể thúc đẩy tăng trưởng năng lượng tái tạo, thay thế nhu cầu lưu trữ năng lượng cố định và giảm sự phụ thuộc vào các máy phát điện [luôn hoạt động] của công ty, chẳng hạn như khí đốt tự nhiên, được sử dụng theo truyền thống để cân bằng gió và năng lượng mặt trời không liên tục," Jim Owens, tác giả chính và là nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Khoa Kỹ thuật Hóa học MIT cho biết. Các tác giả khác bao gồm Emre Gençer, nhà khoa học nghiên cứu chính tại Sáng kiến Năng lượng MIT (MITEI) và Ian Miller, chuyên gia nghiên cứu của MITEI tại thời điểm nghiên cứu.
Công trình của nhóm là phân tích toàn diện, dựa trên hệ thống đầu tiên về các hệ thống điện trong tương lai, dựa trên sự kết hợp mới của các mô hình tính toán tích hợp các yếu tố như mục tiêu phát thải carbon, sản xuất năng lượng tái tạo có thể thay đổi (VRE) và chi phí xây dựng, lưu trữ năng lượng, sản xuất, và hạ tầng truyền dẫn.
"Chúng tôi không chỉ khám phá cách xe điện có thể cung cấp dịch vụ trở lại lưới điện—nghĩ về những phương tiện này gần giống như bộ lưu trữ năng lượng trên bánh xe—mà còn cả giá trị của các ứng dụng V2G đối với toàn bộ hệ thống năng lượng và liệu xe điện có thể giảm chi phí khử cacbon cho hệ thống điện hay không ", Gençer nói. "Kết quả thật đáng ngạc nhiên; cá nhân tôi không tin rằng chúng tôi có nhiều tiềm năng như vậy ở đây."
Thay thế cơ sở hạ tầng mới
Khi Hoa Kỳ và các quốc gia khác theo đuổi các mục tiêu nghiêm ngặt để hạn chế lượng khí thải carbon, điện khí hóa giao thông vận tải đã bắt đầu, với tốc độ áp dụng xe điện tăng nhanh chóng. (Một số dự đoán cho thấy xe điện sẽ thay thế các phương tiện đốt trong trong 30 năm tới.) Tuy nhiên, với sự gia tăng của việc lái xe không phát thải, nhu cầu năng lượng sẽ tăng lên. Gençer cho biết: “Thách thức là đảm bảo có đủ điện để sạc cho các phương tiện và nguồn điện này đến từ các nguồn tái tạo”.
Nhưng năng lượng mặt trời và gió không liên tục. Nếu không có dự phòng đầy đủ cho các nguồn này, chẳng hạn như các cơ sở lưu trữ năng lượng cố định sử dụng pin lithium-ion, hoặc các nhà máy điện chạy bằng khí đốt tự nhiên hoặc nhiên liệu hydro quy mô lớn, thì việc đạt được các mục tiêu năng lượng sạch sẽ khó đạt được. Đáng lo ngại hơn, chi phí xây dựng cơ sở hạ tầng năng lượng mới cần thiết lên tới hàng trăm tỷ đồng.
Các nhà nghiên cứu báo cáo rằng đây chính xác là nơi V2G có thể đóng một vai trò quan trọng và đáng hoan nghênh. Ví dụ, trong nghiên cứu điển hình về một hệ thống điện ở New England lý thuyết đáp ứng các hạn chế nghiêm ngặt về carbon, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng sự tham gia của chỉ 13,9% trong số 8 triệu xe điện hạng nhẹ (chở khách) của khu vực đã thay thế 14,7 gigawatt năng lượng lưu trữ cố định. Điều này giúp tiết kiệm thêm tới 700 triệu đô la—chi phí dự kiến cho việc xây dựng dung lượng lưu trữ mới.
Bài báo của họ cũng mô tả vai trò của pin xe điện vào thời điểm nhu cầu cao nhất, chẳng hạn như những ngày hè nóng bức. Owens cho biết: "Công nghệ V2G có khả năng cung cấp điện trở lại hệ thống để đáp ứng các giai đoạn này, vì vậy chúng tôi không cần lắp đặt hoặc đầu tư thêm tua-bin khí đốt tự nhiên". "Cách mà EV và V2G có thể ảnh hưởng đến tương lai của hệ thống điện của chúng ta là một trong những khía cạnh thú vị và mới lạ nhất trong nghiên cứu của chúng tôi."
sức mạnh mô hình hóa
Để điều tra tác động của V2G đối với hệ thống điện New England giả định của họ, các nhà nghiên cứu đã tích hợp các mô hình dịch vụ V2G và du lịch EV của họ với hai công cụ lập mô hình hiện có của MITEI: Môi trường lập mô hình phân tích hệ thống năng lượng bền vững (SESAME) để dự báo tăng trưởng nhu cầu điện và đội xe. và GenX, mô hình hóa chi phí đầu tư và vận hành của các hệ thống phát điện, lưu trữ và truyền tải điện. Họ đã kết hợp các đầu vào như tỷ lệ tham gia EV khác nhau, chi phí phát điện cho các nhà cung cấp năng lượng tái tạo và thông thường, nâng cấp cơ sở hạ tầng tính phí, nhu cầu đi lại đối với phương tiện, thay đổi nhu cầu điện và chi phí pin EV.
Phân tích của họ đã tìm thấy lợi ích từ các ứng dụng V2G trong hệ thống điện (về mặt thay thế lưu trữ năng lượng và phát điện của công ty) ở mọi cấp độ
hạn chế phát thải carbon, bao gồm cả hạn chế không có giới hạn phát thải. Tuy nhiên, các mô hình của họ gợi ý rằng V2G mang lại giá trị lớn nhất cho hệ thống điện khi các hạn chế về carbon ở mức cao nhất—ở mức 10 gam carbon dioxide trên mỗi kilowatt giờ tải. Tổng tiết kiệm hệ thống từ V2G dao động từ 183 triệu USD đến 1,326 triệu USD, phản ánh tỷ lệ tham gia EV từ 5% đến 80%.
Owens cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi đã bắt đầu khám phá ra giá trị vốn có của V2G đối với hệ thống điện trong tương lai, chứng minh rằng chúng ta có thể tiết kiệm được rất nhiều tiền mà lẽ ra sẽ được chi cho việc lưu trữ và phát điện”.
Hồ sơ thế hệ và nhu cầu trong một tuần đại diện với 50% sự tham gia của V2G. Cấu hình nhu cầu sạc cơ bản và tải EV hàng giờ được biểu thị bằng các đường đứt nét và tính tổng bằng tổng lượng phát điện. Tín dụng: Energy Advances (2022). DOI: 10.1039/D2YA00204C
Khai thác V2G
Đối với các nhà khoa học đang tìm cách khử cacbon cho nền kinh tế, tầm nhìn về hàng triệu xe điện đậu trong nhà để xe hoặc trong không gian văn phòng và được cắm vào lưới điện trong 90% thời gian hoạt động của chúng chứng tỏ một sự khiêu khích không thể cưỡng lại. Gençer nói: “Có tất cả dung lượng lưu trữ này ngay tại đó, một dung lượng khả dụng khổng lồ sẽ chỉ tăng lên và nó sẽ bị lãng phí trừ khi chúng ta tận dụng hết khả năng của nó”.
Đây không phải là một viễn cảnh xa vời. Các công ty khởi nghiệp hiện đang thử nghiệm phần mềm cho phép giao tiếp hai chiều giữa xe điện và người vận hành lưới điện hoặc các thực thể khác. Với các thuật toán phù hợp, xe điện sẽ sạc và truyền năng lượng vào lưới điện theo các cấu hình phù hợp với nhu cầu của từng chủ sở hữu ô tô, không bao giờ làm cạn kiệt pin và gây nguy hiểm cho việc đi lại.
Gençer cho biết: “Chúng tôi không cho rằng tất cả các phương tiện sẽ sẵn sàng gửi năng lượng trở lại lưới điện cùng một lúc, chẳng hạn như lúc 6 giờ chiều, khi hầu hết những người đi làm trở về nhà vào đầu giờ tối,” Gençer nói. Ông tin rằng lịch trình rất đa dạng của người lái xe điện sẽ cung cấp đủ năng lượng pin để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện tăng đột biến trong khoảng thời gian trung bình 24 giờ. Và có những nguồn năng lượng pin tiềm năng khác, chẳng hạn như xe buýt điện của trường học chỉ được sử dụng trong thời gian ngắn trong ngày và sau đó không hoạt động.
Nhóm MIT thừa nhận những thách thức trong việc mua vào của người tiêu dùng V2G. Mặc dù chủ sở hữu EV thích lái xe xanh, sạch, nhưng họ có thể không nhiệt tình trao quyền truy cập vào pin ô tô của mình cho một tiện ích hoặc công ty tổng hợp làm việc với các nhà điều hành hệ thống điện. Các chính sách và ưu đãi sẽ giúp ích.
Gençer cho biết: “Vì bạn đang cung cấp dịch vụ cho lưới điện, giống như những người sử dụng tấm pin mặt trời, nên bạn có thể được trả tiền cho sự tham gia của mình và được trả ở mức cao khi giá điện rất cao”.
"Mọi người có thể không sẵn sàng tham gia 'suốt ngày đêm', nhưng nếu chúng ta gặp các tình huống mất điện như ở Texas năm ngoái hoặc tắc nghẽn đường truyền trong ngày nắng nóng, có lẽ chúng ta có thể bật các phương tiện này trong 24 đến 48 giờ, gửi năng lượng trở lại hệ thống," Owens cho biết thêm. "Nếu mất điện và mọi người vẫy một đống tiền về phía bạn, bạn có thể sẵn sàng nói chuyện."
"Về cơ bản, tôi nghĩ điều này quay trở lại với việc tất cả chúng ta cùng tham gia, phải không?" Gençer nói. "Khi bạn đóng góp cho xã hội bằng cách cung cấp dịch vụ này cho lưới điện, bạn sẽ nhận được toàn bộ lợi ích từ việc giảm chi phí hệ thống, đồng thời giúp khử cacbon cho hệ thống nhanh hơn và ở mức độ lớn hơn."
Thông tin chi tiết hữu ích
Owens, người đang xây dựng luận văn của mình về nghiên cứu V2G, hiện đang điều tra tác động tiềm tàng của xe điện hạng nặng trong việc khử cacbon cho hệ thống điện. Owen nói: “Các xe tải giao hàng chặng cuối của các công ty như Amazon và FedEx có thể sẽ là những người sử dụng xe điện sớm nhất. "Chúng hấp dẫn vì chúng có các tuyến đường được lên lịch thường xuyên vào ban ngày và quay trở lại kho vào ban đêm, điều này khiến chúng rất hữu ích trong việc cung cấp điện và các dịch vụ cân bằng trong hệ thống điện."
Owens cam kết "cung cấp thông tin chi tiết có thể hành động bởi các nhà hoạch định hệ thống, nhà điều hành và ở một mức độ nhất định, các nhà đầu tư," ông nói. Công việc của anh ấy có thể phát huy tác dụng trong việc xác định loại cơ sở hạ tầng sạc nào nên được xây dựng và ở đâu.
Gençer cho biết: “Phân tích của chúng tôi thực sự kịp thời vì thị trường xe điện vẫn chưa được phát triển. "Điều này có nghĩa là chúng tôi có thể chia sẻ những hiểu biết của mình với các nhà sản xuất phương tiện và nhà điều hành hệ thống—có khả năng tác động đến họ để đầu tư vào công nghệ V2G, tránh chi phí xây dựng kho lưu trữ ở quy mô tiện ích và cho phép chuyển đổi sang một tương lai sạch hơn. Đó là một chiến thắng to lớn, thuộc về chúng tôi sự hiểu biết."
