Hoeveel elektriciteit kost het elektrische auto's van de toekomst?

Tegenwoordig is minder dan twee procent van de voertuigen die Amerikanen kopen elektrisch. Maar in de komende drie decennia verwachten sommige deskundigen uit de automobielindustrie dat elektrische voertuigen het grootste deel van de Amerikaanse en wereldwijde autoverkoop kunnen uitmaken.

Alles bij elkaar loggen Amerikaanse chauffeurs ongeveer 3 biljoen mijl per jaar in en verbruiken daarbij meer dan 170 miljard liter benzine en diesel. Het omzetten van al die wegmijlen naar elektriciteit zou nieuwe eisen stellen aan het nationale systeem voor het produceren en leveren van elektriciteit.

Als onderdeel van een groot onderzoek naar energie-infrastructuur proberen we te begrijpen hoe een toename van elektrische voertuigen (EV's) de manier waarop energie wordt aangevoerd en verbruikt, kan veranderen. Tot nu toe hebben we vastgesteld dat de impact van elektrische voertuigen afhankelijk is van waar je woont en wanneer ze worden opgeladen.

Inschatten hoeveel elektriciteit EV's zullen vragen

Met behulp van een vergelijkbare techniek in ons recente artikel over waterstofvoertuigen, hebben we een beoordeling per staat opgesteld van de hoeveelheid elektriciteit die nodig is om een ​​geëlektrificeerde vloot van personenauto's, vrachtwagens en SUV's te laden.

We zijn begonnen met het schatten van de hoeveelheid benzine die elke provincie vandaag verbruikt. Vervolgens hebben we voertuigkilometers omgerekend naar elektriciteitsvereisten op basis van de efficiëntie van de EV's van vandaag.

Toegegeven, deze methoden hebben beperkingen. Het aantal afgelegde kilometers zou aanzienlijk kunnen veranderen als autonome voertuigen gewoon worden en meer mensen afhankelijk zijn van bijvoorbeeld Uber, Lyft en andere diensten voor het delen van voertuigen. Wij zijn echter van mening dat onze aanpak een goed uitgangspunt biedt voor het schatten van de toekomstige vraag naar elektriciteit als EV's de norm worden.

Regionale gevolgen

Het Amerikaanse elektriciteitsnet is de afgelopen eeuw voortdurend geëvolueerd om tegemoet te komen aan nieuwe eisen. Maar als de voertuigen van de natie snel elektrisch zouden worden, zou het raster sneller moeten veranderen. Afhankelijk van de lokale rijgewoonten en de bestaande netwerkinfrastructuur, laat onze analyse zien dat EV's verschillende effecten hebben in verschillende regio's.

Aangezien Texas en Californië meer elektriciteit verbruiken dan andere staten, bieden ze een goed beeld van hoe een toekomst vol met elektrische voertuigen eruit zou kunnen zien. In beide gevallen zou een toename van elektrische auto's het verbruik doen toenemen, met de potentie om lokale infrastructuur te belasten.

Als vrijwel alle personenauto's in Texas vandaag werden geëlektrificeerd, zou de staat ongeveer 110 meer terawattuur aan elektriciteit per jaar nodig hebben - het gemiddelde jaarlijkse elektriciteitsverbruik van 11 miljoen huishoudens. De extra vraag naar elektriciteit zou resulteren in een toename van 30 procent ten opzichte van het huidige verbruik in Texas.

Ter vergelijking, vanwege een meer gematigd klimaat, heeft Californië mogelijk bijna 50 procent meer elektriciteit nodig dan het momenteel verbruikt als personenauto's in de staat volledig geëlektrificeerd zijn. Dat betekent dat Californië nog eens 120 terawattuur aan elektriciteit per jaar zou moeten genereren.

Een verhaal van twee rasters

Een blik op de netten van de twee staten toont aan hoe de afhankelijkheid van EV's voor mobiliteit van plaats tot plaats kan verschillen.

Op hete zomermiddagen gebruikt Texas ongeveer de helft van de elektriciteit die het opwekt om de airconditioning van stroom te voorzien om gebouwen koel te houden. De grote seizoensvariaties in elektriciteitsvraag als gevolg van airconditioning betekent dat de staat over elektriciteitscentrales beschikt die gedurende vele uren van het jaar niet worden gebruikt. De reservecapaciteit tijdens de daluren zou het voor Texas gemakkelijker kunnen maken om aan de toekomstige elektriciteitsbehoeften van elektrische auto's te voldoen.

Het gematigder klimaat in Californië betekent dat de staat op zomerdagen minder elektriciteit nodig heeft en dat de vraag over het algemeen minder varieert. Als gevolg hiervan heeft Californië minder productiecapaciteit beschikbaar dan Texas om te voldoen aan de toekomstige oplaadeisen van elektrische voertuigen.

In 2018 trof de Electric Reliability Council van Texas, de organisatie die het grootste deel van Texas's elektriciteitsnet beheert, een nieuwe piekvraag van ongeveer 73 gigawatt op 19 juli. Kijkend naar de daluren op 19 juli 2018, vonden we de ERCOT het net beschikte over reservecapaciteit om meer dan 350 gigawattuur aan extra elektriciteit te leveren als idled-energiecentrales gedurende de dag bleven werken, niet alleen tijdens de piekvraag.

Op basis van onze schattingen zouden de laadvereisten voor een volledig geëlektrificeerde vloot van personenauto's in Texas ongeveer 290 gigawattuur per dag bedragen, minder dan het beschikbare overschot aan productiecapaciteit. Met andere woorden, het Texas-net kan in theorie een volledig geëlektrificeerde voertuigenvloot opladen als voertuigen tijdens de daluren zijn opgeladen.

Toen we echter dezelfde analyse voor Californië deden, ontdekten we dat als EV's de norm zouden worden, dit de totale vraag naar elektriciteit zou kunnen doen stijgen boven de bestaande capaciteit van het Golden State-netwerk.

Tijd is alles

Misschien nog belangrijker dan hoeveel elektriciteit EV's zouden verbruiken, is de vraag wanneer het zou worden verbruikt.

We baseerden de bovenstaande schattingen op optimale, off-peak laadpatronen. Als in plaats daarvan de meeste EV's 's middags zouden worden opgeladen, zou het elektriciteitsnet meer productiecapaciteit nodig hebben om stroomuitval te voorkomen.

Om aan die vraag te voldoen, zouden Californië en Texas nieuwe elektriciteitscentrales moeten bouwen of meer elektriciteit moeten kopen van buurlanden dan ze al doen. De staten hebben mogelijk ook behoefte aan extra transmissie- en distributie-infrastructuur voor nieuwe infrastructuur voor het laden van auto's.

Alles bij elkaar zou de overgang naar EV's van voertuigen met een interne verbrandingsmotor mogelijk tientallen miljarden dollars in Texas en zelfs meer in Californië kosten om een ​​nieuwe elektriciteitsinfrastructuur te installeren als tijdens piekuren veel voertuigen zouden worden opgeladen.

Prikkels zouden kunnen verminderen wat het kost om het elektriciteitsnet uit te rusten voor veel elektrische voertuigen. Nutsbedrijven kunnen bijvoorbeeld verschillende tarieven hanteren voor elektriciteit gedurende verschillende tijden van de dag en op verschillende dagen van de week. Deze praktijk staat bekend als de prijs voor gebruik tijdens het gebruik en kan het opladen van voertuigen stimuleren wanneer elektriciteit tijdens de daluren meer stroomt en daarom goedkoper is om te leveren.

Californië en andere gebieden, waaronder Austin, Texas, zijn al begonnen met het gebruik van verschillende strategieën voor het implementeren van gebruikspercentages. Andere regio's willen misschien goed kijken en de geleerde lessen op die plaatsen goedkeuren naarmate het aantal elektrische voertuigen op de weg toeneemt.

De weg voor ons

Hoewel EV's de hoeveelheid elektriciteit die de Verenigde Staten verbruiken kunnen vergroten, kan de investering die nodig is om ze op te vangen kleiner zijn dan ze lijkt. Veel regio's hebben al voldoende productiecapaciteit als voertuigen tijdens de daluren worden opgeladen. De energieopslag aan boord van EV's zou de flexibiliteit kunnen bieden die nodig is om de oplaadtijden te verleggen en de netwerkbeheerders te helpen het aanbod en de vraag naar elektriciteit beter te beheren.

Bovendien zouden, op basis van onze berekeningen, het geld dat Amerikanen zouden besparen op brandstofkosten alleen al deze investeringen kunnen compenseren.

Toen bijvoorbeeld de meeste voertuigen in Californië in 2017 elektrisch waren, schatten we dat de chauffeurs dat jaar zo'n 25 miljard dollar aan brandstofkosten zouden hebben bespaard, gebaseerd op de gemiddelde prijzen voor elektriciteit en benzine.

Naast brandstofbesparing verwachten sommige marktanalisten dat elektrische auto's tegen 2026 goedkoper zijn dan conventionele voertuigen, een ander potentieel economisch voordeel.

Hoewel het een uitdaging is om de toekomstige prijzen voor benzine, elektriciteit en voertuigen te voorspellen, denken we dat het waarschijnlijk is dat het algemene gebruik van elektrische auto's de algehele kosten van transport in Californië en elders zou verlagen. Deze besparingen zijn nog groter als rekening wordt gehouden met de milieuvoordelen, met name de lagere koolstofemissies.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation door F. Todd Davidson, Dave Tuttle, Joshua D. Rhodes en Kazunori Nagasawa. Lees hier het originele artikel.