Как электромобиль чуть не спас Калифорнию от энергетического кризиса

В 2001 году инженеры AC Propulsion поставили эксперимент: попробовали заставить электромобиль отдавать электроэнергию обратно в сеть. Технологию назвали V2G (Vehicle-to-Grid), и она обещала решить одну из ключевых проблем энергетики — покрытие пиковых нагрузок без строительства новых электростанций. Эксперимент удался. А технология не взлетела. Разбираемся, почему так произошло и что изменилось за 25 лет.

Концепция V2G появилась еще в начале XX века

Одними из самых массовых на заре автомобилестроения были именно электромобили. Первые модели начали появляться на дорогах Германии, Франции и США ещё в 1880-х годах. А в 1897 году компании Electric Carriage & Wagon Company и Electric Vehicle Company начали коммерческое производство электромобилей в США ^[1]. 

К 1900 году в США было более 33 000 электромобилей — почти 40% всего автопарка ^[2]. В Нью-Йорке каждый второй автомобиль был электрическим.

Однако электростанции того времени сталкивались с типичной проблемой: в пиковые часы не хватало мощности, а ночью, наоборот, возникал избыток дешёвой электроэнергии.

Сначала распределительные сети начали использовать стационарные свинцово-кислотные батареи большой ёмкости, которые выступали своеобразным буфером и выравнивали нагрузку в течение суток. Однако их обслуживание обходилось дорого.

Тогда у энергетиков возникла идея. Электричество сложно хранить, но можно использовать уже существующий парк машин. Они не расходуют заряд полностью — излишек энергии можно возвращать в сеть и платить за это владельцам по тарифу.

Такие компании, как Boston Edison и New York Edison, начали формировать собственные автопарки ^[3]. Предпочтение отдавали грузовым моделям — из-за большей ёмкости батарей.

Однако после Первой мировой рынок изменился. Спрос на электромобили резко упал, поскольку бензин стал доступнее, а ДВС — совершеннее. Долгая зарядка и скромный запас хода в несколько десятков километров ^[4] больше не устраивали автомобилистов. С исчезновением электрокаров технология V2G утратила актуальность.

Как концепция «электростанции на колесах» получила вторую жизнь из-за кризиса

К 1990-м требованиям к выбросам CO₂ ужесточились ^[5], а аккумуляторные технологии заметно продвинулись. Это вернуло интерес автопроизводителей к электромобилям.

В 1990 году General Motors представила концепт-кар Impact ^[6]. Он работал на 32 свинцово-кислотных батареях (которые по задумке GM нужно было менять примерно каждые 32 тыс. км за 1,5 тыс. долларов), разгонялся до 100 км/ч за 8 секунд и проходил на одной зарядке до 200 км — на тот момент это выглядело впечатляюще и вызывало большой интерес.

В ближайшие годы ведущие производители представили электрические модели: Chrysler TEVan ^[7], Ford Ranger EV ^[8], Toyota RAV4 EV ^[9] и другие. 

Одновременно с ростом количества электромобилей в Калифорнии приняли решение частично дерегулировать рынок электроэнергии ^[10]. До 40% установленной мощности теперь вырабатывали частные организации, продавая электроэнергию по рыночной стоимости в часы пиковых нагрузок.

С одной стороны, это решало потенциальную проблему нехватки электроэнергии. Но с другой, это привело к серьезному энергетическому кризису ^[11]. 

В 2000 году на штат обрушилась сильная засуха. Миллионы людей включили кондиционеры, и нагрузка на электросети возросла. При этом выработка ГЭС упала на 4 ГВт из-за маловодья. 

Частные генерирующие компании быстро поняли, что ситуацию можно обернуть в свою пользу. Например, дошло до того, что  Enron специально остановила свою электростанцию ^[12] якобы на техобслуживание, чтобы еще больше взвинтить цены. В результате за полгода они выросли на 800%.

Правительство ограничило рост тарифов для потребителей, переложив затраты на коммунальные предприятия. Разрыв между оптовыми и розничными ценами разорил Pacific Gas & Electric: в апреле 2001 года компания объявила о банкротстве с долгом около 9 млрд долларов ^[13].

Веерные отключения затронули до 1,5 млн человек.

Суть технологии V2G — решение для всех участников рынка

У силовой установки в электромобиле два контура. По одному контуру зарядное устройство преобразует переменный ток в постоянный и заряжает батарею. По второму — всё наоборот: постоянный ток из батареи преобразуется в переменный и уходит в сеть. Похоже на работу домашних солнечных электростанций с двунаправленным счётчиком.

Всеми процессами управляет интеллектуальный блок, работающий по стандарту ISO. Он оценивает множество параметров. Например:

• Текущий и настраиваемый минимальный уровень заряда батареи, который позволяет водителю совершать поездки без риска встать посреди дороги.

• Потребность сети в дополнительной энергии в зависимости от периодов высокой нагрузки. 

• Скорость заряда/разряда в зависимости от режима и характеристик батареи. 

• Объём переданной энергии — на его основе сеть рассчитывает вознаграждение владельцу. 

V2G давала выгоду каждому участнику рынка:

• для коммунальных предприятий — более стабильная энергосистема и меньшая зависимость от частных генераторов;

• для производителей электромобилей — дополнительный аргумент для роста продаж благодаря новой функции;

• для владельцев электромобилей — возможность компенсировать затраты на зарядку;

• для экологических организаций — потенциальное снижение углеродного следа за счёт роста спроса на электротранспорт.

В условиях калифорнийского кризиса V2G выглядела как реальное решение. 

Как AC Propulsion доказала, что V2G работает

В 1997 году профессор Университета Делавэра Уиллет Кемптон начал публиковать ^[15] в научных журналах серию статей о двунаправленной передаче энергии от электромобилей.

По его расчётам, если заменить весь парк легковых автомобилей в США на электрические, они смогут отдавать в сеть в 16 раз больше энергии, чем стационарные электростанции. Средний автомобиль используется всего 4% времени, поэтому даже при небольшом числе таких машин в парке передача энергии в сеть почти не отразится на владельце.

Публикациями Кемптона заинтересовалась AC Propulsion ^[16] — производитель силовых установок для электромобилей. Компания, в частности, участвовала в разработке Impact для General Motors.

Идея двунаправленной передачи энергии показалась интересной, и в 1997 году они презентовали tZero ^[17] — собранный вручную спортивный электрокар на базе силовой электроустановки AC-150 ^[18]. В tZero впервые применили концепцию «автомобиль-автомобиль» (V2V), когда одно транспортное средство может подзарядить другое от своей батареи. 

Когда в 2000-м году в Калифорнии разразился кризис, инженер AC Propulsion Алек Брукс связался с Кемптоном, чтобы обсудить реализацию его идей. Они собрали команду и задумали эксперимент, чтобы показать рынку, что V2G работает. 

В 2001 году вторая версия силовой установки AC-150 с функцией V2G была установлена на автомобиль Volkswagen Beetle. Интеллектуальное зарядное устройство на 20 кВт работало в соответствии с ISO-стандартом и управляло переключением между контурами заряда и передачи в сеть.  

Эксперимент показал: технология работает, и ее можно внедрять в любые модели электромобилей. Однако не все пошло так, как задумывали в AC Propulsion. 

Почему технология V2G не взлетела в 2001 году и как обстоят дела сейчас

Успешный эксперимент компании прошел почти незамеченным. На то было три причины. 

Причина 1: экономическая. К осени 2001 года кризис сошёл на нет, цены нормализовались. Власти занялись расследованием манипуляций на рынке, коммунальные компании — ликвидацией последствий. Срочная потребность в новой технологии отпала. 

Причина 2: техническая. Использовать существующие системы распределения энергии было невозможно, поскольку они были рассчитаны на работу с источниками большой мощности. Как вспоминает Брукс:

В одном из экспериментов с литий-ионной батареей, управляющий компьютер полностью разрядил ее за считаные минуты. Говорить о запасе энергии для движения электромобиля в этом случае не приходилось. Не говоря о том, что это сильно снижает срок службы аккумуляторов.

Требовалась масштабная переработка ПО и синхронизация на всех уровнях — вкладываться в это никто не захотел. 

Причина 3: инфраструктурная. Чтобы технология оказывала какое-то значимое влияние на энергосистемы, нужно одновременное подключение десятков тысяч автомобилей. 

В 2001 году такой возможности не было ни с точки зрения количества транспортных средств, ни с точки зрения количества транспортных средств, ни с точки зрения зарядной инфраструктуры (эта же проблема ограничивает применение электромобилей и сейчас). 

В итоге технологию V2G отложили в долгий ящик, а AC Propulsion продолжила разрабатывать силовые установки ^[19] для других производителей. 

В 2010 году в Японии и США презентовали Nissan Leaf — электрический семейный хэтчбек, ставший хитом. 

После аварии на АЭС Фукусима в 2011 году, в модель добавили дополнительную функцию — систему зарядки «автомобиль-дом» (V2H). Испытания показали, что батарея на 40 кВт·ч способна питать одно домохозяйство в течение двух дней. 

Сейчас концепцию V2G активно тестируют в Tesla ^[20], а Китай — ведущий производитель электромобилей — запустил 30 пилотных проектов ^[20]. Подробнее о применении системы «автомобиль–сеть» можно прочитать в этом материале ^[21].

Эксперимент AC Propulsion 2001 года показал, что концепция V2G работоспособна. Однако несовершенство решений того времени и резкий разворот рынка после энергетического кризиса не позволили ей стать массовой.

Сейчас количество электромобилей в мире превышает 56 миллионов ^[22], а нагрузка на сеть, в том числе из-за ИИ, растёт в среднем на 3,6% в год ^[23]. На этом фоне возврат энергии в сеть снова выглядит как рабочий сценарий.

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

-15% на заказ любого VDS ^[24] (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS