I trasporti sono la principale fonte di emissioni di gas serra negli Stati Uniti, rappresentando circa un terzo di tutte le emissioni. Potremmo ridurre rapidamente tali emissioni elettrificando i veicoli, ma c'è solo un intoppo:al momento non generiamo energia sufficiente.

"Se tutti i trasporti diventano elettrici, raddoppieremo effettivamente la domanda", ha affermato Matthias Preindl, esperto di veicoli elettrici presso Columbia Engineering. "E la griglia non è costruita per resistere a questo."

Nonostante alcuni investimenti ed espansioni dagli anni '50, la rete statunitense ha una flotta di generatori per lo più obsoleta e carichi di trasmissione massimizzati a causa delle linee congestionate. A peggiorare le cose, eventi meteorologici estremi come ondate di calore e incendi hanno ripetutamente sciolto i cavi di alimentazione.

Secondo uno studio del 2020, gli Stati Uniti dovrebbero investire 125 miliardi di dollari entro il 2030 solo per stare al passo con la crescente domanda di energia dei veicoli elettrici. Ma cosa accadrebbe se gli stessi veicoli elettrici potessero essere parte della soluzione, aggiungendo energia alla rete? Columbia News ha parlato con Preindl, professore di ingegneria elettrica, e Daniel Bienstock, professore di fisica applicata e matematica applicata, nonché ingegneria industriale e ricerca operativa.

Tecnologia da veicolo a rete (V2G)

Entro il 2030, saranno in circolazione circa 145 milioni di auto elettriche, autobus, camion e furgoni. Una specie di. In media, i conducenti parcheggiano i loro veicoli il 95% delle volte. Con quasi 5 miliardi di dollari di denaro federale recentemente stanziati per costruire una rete nazionale di stazioni di ricarica per veicoli elettrici lungo le autostrade interstatali, tutti quei veicoli elettrici inattivi potrebbero essere messi in funzione tramite la tecnologia da veicolo a rete (V2G), un'idea che secondo gli esperti potrebbe trasformare il rete elettrica già sovraccaricata.

La tecnologia V2G prevede l'utilizzo di caricabatterie bidirezionali per trasportare l'energia inutilizzata dalle batterie di un veicolo elettrico alla rete intelligente. Quando un veicolo elettrico viene caricato, l'elettricità CA (corrente alternata) della rete viene convertita in CC (corrente continua) delle batterie, che viene quindi utilizzata per far funzionare il veicolo. Un caricatore bidirezionale può convertire CC in CA e trasferirlo alla rete dalle celle agli ioni di litio del veicolo elettrico. Può anche controllare contemporaneamente quanta energia entra o esce dalla batteria.

"Potenzialmente, i veicoli elettrici potrebbero diventare la più grande struttura di accumulo di energia distribuita implementata", ha affermato Preindl. "Insieme, potrebbero fornire più energia elettrica di tutte le centrali elettriche convenzionali messe insieme".

L'elettricità extra che la tecnologia V2G restituisce alla rete potrebbe alimentare case e aziende in stati come la California che dipendono fortemente dalle energie rinnovabili per l'accesso all'elettricità 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Spesso, gli sforzi per l'energia verde si sono concentrati principalmente sull'utilizzo di grandi parchi eolici o solari situati in aree remote. Queste fattorie richiedono nuove e costose linee di trasmissione per fornire elettricità alle aree ad alto fabbisogno energetico.

E l'energia eolica e solare possono sperimentare una grande variabilità in tempo reale, ha affermato Bienstock, che è anche un esperto di dinamiche delle reti elettriche presso la Columbia Engineering.

"Oggi, senza un'ampia penetrazione delle rinnovabili, la variabilità viene affrontata in tempo reale utilizzando la generazione convenzionale", ha affermato. "Grandi oscillazioni in tempo reale nei flussi di potenza possono essere impegnative e richiedere un'impostazione adeguata di generazione rapida e risorse di trasmissione adeguate". L'aggiornamento delle apparecchiature in tale misura non è un'impresa da poco, il che significa che la variabilità dovuta alle energie rinnovabili continuerà a essere un problema. "V2G, insieme a una generazione più completamente distribuita, è una delle soluzioni più praticabili per il futuro", ha affermato Bienstock.

Auto con V2G

Finora, solo quattro auto elettriche disponibili in commercio sono compatibili V2G:Nissan e-NV200, Nissan LEAF, Mitsubishi Outlander PHEV e Mitsubishi Eclipse Cross PHEV. Quest'anno, anche Volkswagen, Ford e General Motors stanno gradualmente lanciando veicoli elettrici compatibili con la ricarica bidirezionale. Gli esperti del settore prevedono che il mercato V2G crescerà del 48% entro il 2027.

Ma costruire potenza bidirezionale nel sistema è più di un gioco di numeri; anche gli ostacoli tecnici ostacolano l'adozione diffusa di V2G. Ad esempio, l'uso abituale di V2G per ricaricare e scaricare le batterie agli ioni di litio dei veicoli elettrici può ridurne la durata.

V2G riduce la durata della batteria

"Dal punto di vista della rete, è più utile quando molti veicoli elettrici sono collegati per lunghi periodi e quando utilizzano potenze di ricarica medio-basse", ha affermato Preindl. "In realtà è meglio anche per l'EV. Da un punto di vista tecnico, ci sono molte cose che V2G può fare per ridurre al minimo il degrado della batteria".

Oltre al rischio che le batterie agli ioni di litio vengano danneggiate, anche i modelli convenzionali di caricabatterie bidirezionali o V2G sono costosi. Esistono due tipi di caricabatterie V2G:onboard e offboard. La maggior parte delle auto utilizza caricatori di bordo unidirezionali. I pochi caricabatterie V2G per colpire il mercato sono entrati in linea solo negli ultimi mesi; questi primi progetti sono in genere fuori bordo, montati su una parete e mancano anche di standardizzazione, mentre l'industria è al passo con la tecnologia.

Ma i ricercatori stanno migliorando nella progettazione di caricabatterie di bordo V2G convenienti. Il laboratorio di Preindl sta sviluppando sistemi in grado di raggiungere un'efficienza del 99% con un minimo di un centesimo per kilowatt. "È da due a cinque volte più economico, con perdite di energia da due a cinque volte inferiori rispetto ai modelli attuali", ha affermato.

La possibilità del V2G

Mentre le case automobilistiche stanno tentando di scalare la tecnologia V2G, c'è ancora molta strada da fare prima che possa aiutare a decarbonizzare la rete. Il mese scorso, secondo il World Resources Institute, circa 15 società di servizi pubblici in 14 stati hanno annunciato che lanceranno programmi pilota V2G per scuolabus elettrici.

Ma nonostante le piccole iniziative delle società di servizi pubblici nel 2021 che hanno dimostrato quanto sia efficace la tecnologia V2G nel ridurre le emissioni, gli esperti di politiche affermano che sono necessari maggiori investimenti per rendere la tecnologia accessibile.

"Le utility devono non solo aggiornare la rete elettrica in termini di nuove linee di trasmissione e trasformatori fisici, ma anche investire nella tecnologia delle reti intelligenti per valutare in quali orari l'elettricità deve essere scaricata o assorbita", ha affermato Steven Cohen, esperto di scienze ambientali e politica presso la School of International and Public Affairs della Columbia. "L'ostacolo politico che la tecnologia V2G deve affrontare è fondamentalmente la mancanza di denaro."

"Il requisito fondamentale sarebbe uno schema di finanziamento in cui il governo federale possa finanziare l'esborso iniziale", ha continuato. "Quindi, i contribuenti locali pagheranno per il funzionamento e la manutenzione una volta che la tecnologia sarà a disposizione. La mia previsione:lo Stato di New York e la California saranno i primi a investire".