توصيل السيارات الكهربائية بمحطات الشحن أو في المنزل الطبيعي.. لكن في المستقبل يمكن إعادة إرسال السيارة التيار لشبكة الكهرباء

أول تحليل شامل قائم على أنظمة الطاقة المستقبلية لقليل من تكلفة إزالة الكربون من نظام الطاقة

اعتاد أصحاب السيارات الكهربائية على توصيلها بمحطات الشحن في المنزل والعمل وتعبئة بطارياتهم بالكهرباء من شبكة الكهرباء، ولكن في يوم من الأيام قريبًا ، عندما يقوم هؤلاء السائقون بتوصيل التيار الكهربائي، ستتمتع سياراتهم أيضًا بالقدرة على عكس التدفق وإعادة إرسال الإلكترونات إلى الشبكة.

مع تصاعد عدد المركبات الكهربائية، يمكن لبطاريات الأسطول أن تكون بمثابة مصدر طاقة واسع النطاق وفعال من حيث التكلفة، مع تأثيرات دراماتيكية محتملة على انتقال الطاقة.

هذا ما كشفته ورقة بحثية جديدة نشرها فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في مجلة Energy Advances.

يقول جيم أوينز، المؤلف الرئيسي، وطالب الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في قسم الهندسة الكيميائية ” يمكن لمركبة إلى شبكة (V2G) أن تعزز نمو الطاقة المتجددة، مما يلغي الحاجة إلى تخزين الطاقة الثابتة ويقلل الاعتماد على مولدات ثابتة، مثل الغاز الطبيعي، التي تُستخدم تقليديًا لموازنة الرياح “التقطع الشمسي”.

من بين المؤلفين الإضافيين أيمري جينسر، عالم أبحاث رئيسي في MIT Energy Initiative (MITEI) ، وإيان ميلر، أخصائي الأبحاث في MITEI في وقت الدراسة.

أول تحليل شامل قائم على الأنظمة للطاقة المستقبلية

عمل المجموعة، يعد أول تحليل شامل قائم على الأنظمة لأنظمة الطاقة المستقبلية، بالاعتماد على مزيج جديد من النماذج الحسابية التي تدمج عوامل مثل أهداف انبعاثات الكربون، وتوليد الطاقة المتجددة المتغيرةVRE) ، وتكاليف بناء تخزين الطاقة، والإنتاج، والبنية التحتية للإرسال.

يقول جينسر “لم نستكشف فقط كيف يمكن للمركبات الكهربائية أن تقدم الخدمة مرة أخرى إلى الشبكة- مع الأخذ في الاعتبار أن هذه المركبات تشبه تقريبًا تخزين الطاقة على العجلات- ولكن أيضًا قيمة تطبيقات V2G لنظام الطاقة بأكمله، وإذا كانت المركبات الكهربائية يمكن أن تقلل من تكلفة إزالة الكربون من نظام الطاقة ، “كانت النتائج مفاجئة ؛ أنا شخصياً لم أكن أعتقد أنه سيكون لدينا الكثير من الإمكانات هنا.”

بنية تحتية جديدة

بينما تسعى دول العالم إلى تحقيق أهداف صارمة للحد من انبعاثات الكربون، انطلقت كهربة النقل، مع تسارع معدل اعتماد المركبات الكهربائية، (تظهر بعض التوقعات أن المركبات الكهربائية ستحل محل مركبات الاحتراق الداخلي على مدار الثلاثين عامًا القادمة).

يوضح جينسر، مع ظهور القيادة الخالية من الانبعاثات، سيكون هناك طلب متزايد على الطاقة.

“التحدي هو ضمان وجود ما يكفي من الكهرباء لشحن المركبات وأن هذه الكهرباء تأتي من مصادر متجددة”.

حسبما أفاد الباحثون، فالطاقة الشمسية وطاقة الرياح متقطعة، بدون دعم كافٍ لهذه المصادر، مثل مرافق تخزين الطاقة الثابتة التي تستخدم بطاريات أيونات الليثيوم، على سبيل المثال، أو محطات توليد الطاقة على نطاق واسع بالغاز الطبيعي أو الهيدروجين، فإن تحقيق أهداف الطاقة النظيفة سيكون بعيد المنال، الأمر الأكثر إثارة للقلق هو أن تكاليف بناء البنية التحتية الجديدة للطاقة تصل إلى مئات المليارات، هذا هو بالضبط المكان الذي يمكن أن يلعب فيه V2G دورًا مهمًا ومرحبًا به،.

في دراسة الحالة التي أجروها حول نظام طاقة نظري يلبي قيود الكربون الصارمة، وجد الفريق أن المشاركة من 13.9% فقط من المركبات الكهربائية الخفيفة (للركاب) البالغ عددها 8 ملايين في المنطقة أزاحت 14.7 جيجاوات من تخزين الطاقة الثابت، أدى هذا إلى توفير ما يصل إلى 700 مليون دولار- التكاليف المتوقعة لبناء سعة تخزين جديدة.

وصفت ورقتهم أيضًا الدور الذي يمكن أن تلعبه بطاريات المركبات الكهربائية في أوقات ذروة الطلب ، مثل أيام الصيف الحارة.
يقول أوينز: “تتمتع تقنية V2G بالقدرة على إعادة ضخ الكهرباء إلى النظام لتغطية هذه الحلقات ، لذلك لا نحتاج إلى تثبيت أو الاستثمار في توربينات الغاز الطبيعي الإضافية”، “الطريقة التي يمكن أن تؤثر بها EVs و V2G على مستقبل أنظمة الطاقة لدينا هي واحدة من أكثر الجوانب إثارة وجديدة في دراستنا.”

قوة النمذجة

للتحقيق في تأثيرات V2G على نظام الطاقة الافتراضي، قام الباحثون بدمج نماذج خدمة السفر EV و V2G مع اثنين من أدوات النمذجة الحالية لـ MITEI بيئة نمذجة تحليل نظام الطاقة المستدامة (SESAME) لإسقاط أسطول المركبات ونمو الطلب على الكهرباء، و GenX، التي تحدد تكاليف الاستثمار والتشغيل لأنظمة توليد الكهرباء وتخزينها ونقلها.

لقد قاموا بدمج مدخلات مثل معدلات المشاركة المختلفة للمركبات الكهربائية، وتكاليف التوليد لموردي الطاقة التقليدية والمتجددة، وشحن ترقيات البنية التحتية، والطلب على السفر للمركبات، والتغيرات في الطلب على الكهرباء، وتكاليف بطاريات السيارات الكهربائية.

وجد تحليلهم فوائد من تطبيقات V2G في أنظمة الطاقة (من حيث استبدال تخزين الطاقة وتوليد الشركات) على جميع مستويات قيود انبعاثات الكربون، بما في ذلك تلك التي لا تحتوي على حد أقصى للانبعاثات على الإطلاق.

وتشير نماذجهم إلى أن V2G يقدم أكبر قيمة لنظام الطاقة عندما تكون قيود الكربون أكثر شدة – عند 10 جرامات من ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوواط / ساعة من الحمل.

تراوح إجمالي مدخرات النظام من V2G من 183 مليون دولار إلى 1،326 مليون دولار، مما يعكس معدلات مشاركة المركبات الكهربائية بين 5 % و80 %.

يقول أوينز: “بدأت دراستنا في الكشف عن القيمة المتأصلة لـ V2G لنظام الطاقة في المستقبل، مما يدل على أن هناك الكثير من الأموال التي يمكننا توفيرها،والتي يمكن إنفاقها على التخزين وإنشاء الشركات”.

الاتصال ثنائي الاتجاه بين المركبات ومشغلي الشبكات

بالنسبة للعلماء الذين يبحثون عن طرق لإزالة الكربون من الاقتصاد، فإن رؤية ملايين المركبات الكهربائية المتوقفة في المرائب أو في المساحات المكتبية والموصولة بالشبكة لمدة 90 % من حياتها التشغيلية تثبت استفزازًا لا يقاوم، وهناك كل هذا التخزين موجود هناك، سعة هائلة متاحة ستنمو فقط، ويتم إهدارها ما لم نستفد منها بالكامل”.

هذا ليس احتمال بعيد، تختبر الشركات الناشئة حاليًا برامج من شأنها أن تسمح بالاتصال ثنائي الاتجاه بين المركبات الكهربائية ومشغلي الشبكات أو الكيانات الأخرى، باستخدام الخوارزميات الصحيحة ، ستقوم المركبات الكهربائية بشحن الطاقة وإرسالها إلى الشبكة وفقًا للملفات الشخصية المصممة لاحتياجات كل مالك سيارة ، ولا تستنفد البطارية أبدًا وتعريض التنقل للخطر.

يقول جينسر”لا نفترض أن جميع المركبات ستكون متاحة لإرسال الطاقة مرة أخرى إلى الشبكة في نفس الوقت ، في الساعة 6 مساءً على سبيل المثال، عندما يعود معظم الركاب إلى منازلهم في وقت مبكر من المساء ،”وهو يعتقد أن الجداول الزمنية المتنوعة للغاية لسائقي المركبات الكهربائية ستوفر طاقة بطارية كافية لتغطية الارتفاع المفاجئ في استخدام الكهرباء على مدار 24 ساعة في المتوسط.

وهناك مصادر أخرى محتملة لطاقة البطارية على الطريق، مثل الحافلات المدرسية الكهربائية التي تستخدم فقط لفترات قصيرة خلال النهار ثم تجلس في وضع الخمول.

يقر فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) بالتحديات المتمثلة في شراء المستهلك لـ V2G بينما يستمتع مالكو السيارات الكهربائية بقيادة نظيفة وصديقة للبيئة، فقد لا يكونون متحمسين بنفس القدر لتسليم الوصول إلى بطارية سيارتهم إلى مرفق أو مجمع يعمل مع مشغلي أنظمة الطاقة.

السياسات والحوافز من شأنها أن تساعد.

يقول أوينز، نظرًا لأنك تقدم خدمة للشبكة، مثلما يفعل مستخدمو الألواح الشمسية، فقد يتم الدفع لك مقابل مشاركتك، ويتم الدفع لك بعلاوة عندما تكون أسعار الكهرباء مرتفعة للغاية”، مضيفا “قد لا يكون الناس مستعدين للمشاركة” على مدار الساعة “، وربما يمكن تشغيل المركبات لمدة 24 إلى 48 ساعة، وإرسال الطاقة بالعودة إلى النظام”.

يضيف “إذا كان هناك انقطاع للتيار الكهربائي ولوح الناس لك بمجموعة من المال ، فقد تكون على استعداد للتحدث، ستحصل على الفائدة الكاملة من تقليل تكاليف النظام، كما تساعد أيضًا في إزالة الكربون من النظام بشكل أسرع وإلى حد أكبر.”