電気自動車の充電は電力網を破壊しない

私は 2014 年から電気自動車の充電に取り組んでいますが、その間、EV の充電とそれが送電網を破壊するさまざまな方法について、非常に奇妙な意見をいくつか聞いてきました。

EV 充電の奇妙さには主に 3 つのクラスがあります。エネルギーの問題、容量の問題、技術的な問題。主な例は 1 つだけなので、技術的なことから始めます。

初期の頃、配信ネットワークサービスプロバイダー (DNSP、ニューサウスウェールズ州の Essential Energy など) は、当社の接続アプリケーションを見て、ほとんどが単なる大きな負荷として無視していました。

しかし時折、このアプリケーションは、なぜ 500kVA が放棄された駐車場に接続されているのか疑問に思い、詳細を探しに行く、少し好奇心旺盛な人の机に行き着きます。

大きな DC 充電器には大きな整流器が搭載されており、まともな電気技術者なら、(古い) 整流器が高調波歪みを発生させることを知っています。

これにより、多くの場合、小さな波がネットワークを通じて反射されることによって、AC 電圧曲線の形状が変化します。したがって、この用語の高調波部分が変化します。

美しく完璧なサインカーブの代わりに、50 Hz ではなく 100 Hz でサインカーブが反映される可能性があるため、波はあるときは加算され、あるときは減算されます。グリッドは、デバイスが電源を使用する方法によって影響を受けます。

高調波歪みを引き起こすものの最も典型的な例は、安価なヘアドライヤーです。

フルパワーでは、ヘアドライヤーは可能な限り多くの電流を消費して熱に変換し、モーターとヒーターはグリッドと完全に同期します。ただし、少し熱くなるので、ヘアドライヤーの出力も半分にします。

半分の電力を達成するために、このスイッチは電源回路にダイオードを追加します。これは、乾燥機が正弦波の半分のみを使用することを意味します。

ゼロの上下の曲線全体を使用するのではなく、一連のスピードバンプなど、ゼロより上のビットのみを使用します。

乾燥機がプラスのみを使用している場合、マイナスはどこに行くのでしょうか?

高調波歪みとしてグリッドに戻ります。

50 年前、唯一の大型整流器は電車や路面電車の路線に電力を供給しており、エンジニアはそれらを管理するために予防措置を講じる必要があることを認識していました。

通常、彼らはトランスを使用して高調波を分離しようとします。トランスは、コイル間の曲線を変形させる奇妙なエッジを減衰させます。

鉄道の供給品は、エンジニアリングの付属機能がすべて備えられた大規模な専用サイトであるため、管理が容易です。

彼らが大きな整流器をあちこちに設置し始めたら、何が起こるでしょうか？それは他の人の正弦波を汚染するのでしょうか？

幸いなことに、充電器メーカーはこの問題に対処しており、高調波歪みの性能を示すための修正とテストを実装しています。

通常、それは自己解決できる問題です。大きな整流器が変圧器、たとえば専用の 500kVA 配電変圧器によって系統の残りの部分から分離されている場合、歪みは主に系統のその小さな部分に限定され、他のユーザーにとっては問題ありません。

一部のメーカーでは、充電器の設計に、配電変圧器とは別に絶縁変圧器を組み込んでいます。そして、現在ではすべての製品が標準で「全高調波歪み」テストを実行しており、誰かが質問をし始めた場合には「THD<5%」というレポートを発行できるようになりました。

しかし、ここ数年 THD に関する質問を受けていないので、業界もこの問題に並行して追いついていると思います。

「これだけの電気はどこから来るのでしょう！発電量を4倍にする必要があります！そしてどうせ石炭ですよ！」

石炭から始めて、はい、私たちが依然として石炭から大量の電力を生産しているのは問題ですが、電力をクリーンエネルギーに移行することでEVの展開と並行して解決できます。

現在の電力技術を使用しても、EV は気候にとってより良い結果をもたらし、時間の経過とともに改善され続けるでしょう。

私にとって、これに関する標準的な研究は Auke Hoekstra によるものです。この RenewEconomy の記事でわかりやすくまとめられ、リンクされています。

EVにはどのくらいの電力が必要ですか? オーストラリアでは、1 日の平均ドライブ距離は約 40 km、年間およそ 15,000 km を 365 日にわたります。

EV の 20kWh/100km がほぼ適切であると仮定すると、これが 5 年間の私の経験則であるため、40km を走行するには EV は 1 日あたり約 8kWh 必要になります。

オーストラリアの平均的な住宅は、1 日あたり約 20kWh を消費します。つまり、住宅負荷に 8kWh を追加すると、約 40% 増加します。通常の家庭での使用量の倍数ではなく、40% の増加です。

このエネルギーはどこから来るのでしょうか？送電網ですが、それがクリーンな電力であることを確認する必要があります。

EV ドライバーは、太陽光発電を追加し、適切なタイミングでプラグを差し込むことで、クリーンな電力を確保できます。オーストラリアで 1 日あたり 8kWh を供給するには、2kW の太陽光発電が必要で、さらに住宅負荷をカバーするためにさらに 5kWh が必要です。

APVI のこの素晴らしいグラフは、オーストラリアの平均的な家庭用システムが現在 8kW を超えていることを示しています。したがって、私はこれを、家と車の負荷をカバーするのに十分な太陽光発電を追加することが実現可能であり、かなり実用的であることの証拠として捉えています。それが私たちがやったことなのです。

太陽光発電と家庭での充電は、一部の人々、特に賃貸でアパートに住んでいる人、または自宅から 6 km 離れた場所に駐車できる場所に駐車するシドニーの悪夢のような通りに住んでいる人にとっては難しいでしょう。

これらの人々は公共充電に依存することになり、電力がどれだけクリーンかは、ネットワークを運営する人々の調達慣行に依存します。

私はオーストラリア最大の公共充電ネットワークである Chargefox で働いており、購入する電力がすべてクリーンな電力であることを確認するために懸命に取り組んでいます。

私が Tesla AU で働いていたときも同じことをしていましたし、オーストラリアに構築されている他のネットワークでも同じことをしていると聞いています。

エネルギーに関しては、はい、追加の電力を供給できますし、クリーン電力も可能です。やるべきことはありますが、そこに到達するための明確な道筋はあります。

容量の問題は時間に依存し、どこでも発生する可能性があるため、一般の人が理解するのはおそらくこれらの点が最も難しいでしょう。

バッテリーポストの容量問題について長々と言いましたが、ここで要約します。

容量の問題は、電力ネットワーク内のどこでも、過剰な電力が流れようとすると発生します。乾燥機、オーブン、アイロンを同時に使用しようとすると、家の配電盤で発生する可能性があります。

郊外規模の変電所では、郊外の各家が太陽光発電を送電網に戻そうとし、逆に容量を超えたときに発生する可能性があります。

ここで覚えておくべき重要なことは、冒頭の友人の話に戻りますが、EV 充電器は単なる電気負荷にすぎないということです。彼らは特別ではありません。

新しいエアコンや給湯器を取り付けるのと同じです。それは電気を使用するものであり、システムを壊すことなく新しいものを追加するためにゼロから設計されたシステムに追加されます。

容量の問題とそれをどのように管理するかについては、解明すべきことがかなりあるため、住宅レベルから始めます。

美しい中古の 2014 年製リーフを購入し、自宅に充電器を設置したいとします。電気技師に電話して、充電器の設置を依頼します。

電気技師のフルタイムの仕事は、新しい電気を接続し、接続時に何も壊れないようにすることです。

したがって、彼らはあなたの家に充電器を設置するときに、配電盤内の潜在的な負荷の合計が配電盤の容量を超えないことを確認します。

そして、何か問題が発生した場合、誰かが 1 つの電源ポイントに 3 つのヒーターを追加すると、過大な電流を消費している回路がトリップし、需要が切断され、配電盤が保護されます。

しかし、街行く人全員が充電器を設置し、すべての家に接続を完全に使用するのに十分な容量があるとしたらどうなるでしょうか?

これは地域の配電変圧器で問題になる可能性があり、問題のツイートが話しているのと同じようなことです。

ただし、違いは、保護策がない場合、はい、充電器を設置しすぎると変圧器が故障する可能性がありますが、同じ理由でヒーターをオンにしすぎても家の配電盤が故障することはありません。

変圧器にはヒューズとサーキットブレーカーも付いています。すべてがうまくいかず、変圧器に過大な電力が要求されると、EV 充電器の有無にかかわらず、回路ブレーカーが作動するか、ヒューズが切れます。

電気技師は全員制限内で作業しており、その制限が変圧器に加算されるため、このようなことが起こるのは非常にまれです。

しかし、誰かが間違いを犯した場合、変圧器内のヒューズが飛ぶだけであり、寿命が桁違いに短くなる可能性はありません。

これをさらに進めていくと、全員が充電器を設置し、全員が同時に充電しようとすると問題が生じることがわかります。変圧器は安全を保つために 2 つのことに依存しています。負荷の「多様性」、および大きくて重いものの熱保護。

変圧器は実際には非常に弾力性があり、短時間であれば定格負荷をはるかに超えて動作することができます。

500kVA 変圧器は 500kVA を一定に流すことができ、1 時間以上ピークで 650kVA に達し、短期間で 1000kVA に達するものもあります。

熱の問題ですね。使いすぎると熱くなります。何かが故障するまで熱は蓄積します。しかし、それらは大きくて重い物体であり、通常は油で冷却されているため、突然の熱の爆発は吸収され、放散される可能性があります。

変圧器が電柱の上にあり、寒い日であればなおさらです。

負荷の多様性とは、負荷が一致しない度合いです。

自宅に 100A の潜在的な負荷があるが、それらすべてを同時に動作させることはないとします。おそらく、これまでに要求した最大値は 50A です。

50％の多様性があると言えるでしょう。地域の配電網も同じ理論に基づいて機能しており、全員が同時に十分な負荷を使用して変圧器をテストする可能性は非常に低いです。

そして、誤って故障した場合、変圧器ではなくヒューズが故障します。

これは、変圧器を節約するためにヒューズに依存する不十分な管理戦略であるため、これを管理するための新しいテクノロジーが登場しています。通りのすべての家が同時にプラグを差し込み、変圧器を調理する危険があります。

どうすればそれをより良く管理できるでしょうか?

スマート充電を使用すると、私がこれまで見てきた EV 充電における容量の問題のほぼすべてを解決できます。

回路上の充電器が多すぎるという問題は、一部の商業ビルですでに発生しており、路上にあるあまりにも多くの家が同時に電源を入れるのと似ていますが、脅威にさらされているのは地域の変圧器ではなく、建物の配電盤です。

スマート充電は、容量の問題は通常非常に短期間で終わるという事実に依存しているため、負荷を少しの間延期できれば、混雑を回避できる可能性があります。

郊外の規模では、EVの充電を午後7時のピーク後まで延期することを意味しますが、これは簡単です。通常、車は 12 時間停止しており、完全に充電するには数時間しかかかりません。

インターネット接続を備えた EV 充電器を使用すると、すべての充電器を調整して、すべての充電器が同時に充電されないようにすることができます。

充電器には言語プロトコルがあり、標準化されたコマンドで電力をオン/オフできるようになります。

そのため、スマート充電システムは配電盤で需要を測定し、充電器の電源をオンまたはオフにして、合計が設計制限を超えないことを確認します。

次に、この上に別のスマート層を適用して、車が希望どおりに充電できるようにすることができます。おそらく、3 号車は正午までに満席になる必要がありますが、4 号車は午後 4 時まで待つことができます。システムはこれらすべてを処理できます。これらのシステムは、接続された住宅用充電器や鉄道の通勤用駐車場を使用して、すでに使用されています。

これで小型充電器はすべてカバーできますが、大型充電器はどうなるでしょうか? 車を数時間ではなく数分で充電できる大規模な都市間充電サイト?

これらすべての同じ保護は引き続き大規模に適用され、単に異なる人々が承認を与えているだけです。

地元の電気技師が接続の許可を与えるのではなく、回路に過剰な負荷がかからないようにするのはネットワークオペレーターです。

ローカル配電変圧器が過負荷になるのではなく、11,000V ネットワークが過負荷になる可能性があります。

ただし、同じ理由で過負荷にはなりません。新しい接続を制御する強力なプロセスがあります。負荷には多様性があり、同時に実行できる以上の接続が可能です。万が一、一度に多くの要求があった場合は、ヒューズとサーキットブレーカーが機器を保護します。そして、これらの安全装置を定期的に突破していることがわかった場合は、スマート充電とコントロールポイントメーターを適用できます。

これは、確かにEVを電力網に追加するには技術的な課題がいくつかあるが、それらは克服可能な問題であり、既存の技術とシステムで解決できる、と言うには長い言い方になります。

EV 充電器は単なる負荷であり、新しい負荷を追加するためにゼロから設計されたシステムに追加されます。 EVの登場と並行して送電網の整備が進んでいます。最近も少し言った気がしますが、

機能しています。続けて。

Evan Beaver は ChargeFox の充電マネージャーです。この記事は最初に彼のブログ「EVcricket Energy」に掲載されました。許可を得て転載しています。