Hur mycket el kommer det att ta för att driva elbilar från framtiden?

Idag är mindre än två procent av de bilar som amerikanerna köper elektriska. Men inom de närmaste tre decennierna förväntar sig vissa fordonsindustrin experter att elbilar skulle kunna utgöra majoriteten av amerikanska och globala bilförsäljningar.

Allt sagt, amerikanska förare loggar omkring 3 miljarder mil per år och konsumerar mer än 170 miljarder gallons bensin och diesel i processen. Omvandling av alla dessa vägmiljöer till el skulle ställa nya krav på nationens system för att producera och leverera el.

Som en del av en stor energiinfrastrukturstudie försöker vi förstå hur en ökning av elfordon kan ändra hur energi levereras och konsumeras. Hittills har vi funderat på hur elbilar påverkar beror på var du bor och när de debiteras.

Uppskattning av hur mycket elektriska elmotorer kommer att kräva

Med hjälp av en liknande teknik som framgår av vårt senaste papper om vätefordon utvecklade vi en statlig bedömning av den mängd el som skulle behövas för att ladda en elektrifierad flotta personbilar, lastbilar och SUV.

Vi började med att beräkna mängden bensin varje län konsumerar idag. Vi konverterade sedan fordonskilometer som reste sig till elkrav baserat på effektiviteten i dagens elmotorer.

Visserligen har dessa metoder begränsningar. Antalet rutter som körs kan förändras väsentligt om autonoma fordon blir vanliga och fler använder sig av exempelvis Uber, Lyft och andra fordonstjänster. Vi tror emellertid att vårt tillvägagångssätt ger en bra utgångspunkt för att uppskatta framtida elbehov om EV-modeller blir normen.

Regionala konsekvenser

Det amerikanska elnätet har fortlöpande utvecklats för att tillgodose nya krav under hela förra seklet. Men om nationens fordon skulle bli snabbt elektriskt, skulle nätet behöva byta snabbare. Beroende på lokala körvanor och nätinfrastrukturen som redan finns på plats visar vår analys att EV-värden kommer att ha olika effekter i olika regioner.

Eftersom Texas och Kalifornien konsumerar mer el än någon annan stat, ger de en bra bild av vad en framtid fylld med elbilar kan se ut. I båda fallen skulle en ökning av elektriska och elektroniska komponenter öka drivkraften, med potential att påverka lokal infrastruktur.

Om nästan alla personbilar i Texas elektrifierades idag skulle staten behöva cirka 110 fler terawattimmar per år - den genomsnittliga årliga elförbrukningen på 11 miljoner bostäder. Den ökade efterfrågan på el skulle leda till en ökning med 30 procent jämfört med nuvarande förbrukning i Texas.

Till följd av ett mer tempererat klimat skulle Kalifornien kunna kräva nästan 50 procent mer el än vad den för närvarande använder om personbilar i staten elektrifierades helt. Det betyder att Kalifornien skulle behöva generera ytterligare 120 terawatt-timmar el per år.

Ett tal av två galler

En titt på de två delstaternas grid visar hur beroende av EV för mobilitet kan variera från plats till plats.

På varma sommarmonter använder Texas ungefär hälften av den el som det genererar för att driva luftkonditionering för att hålla byggnaderna svala. De stora säsongsvariationerna i efterfrågan på el på grund av luftkonditionering innebär att staten har kraftverk som är lediga under många timmar av året. Den extra kapaciteten under lågtider kan göra det lättare för Texas att möta framtida elkrav av elektriska och elektroniska komponenter.

Kaliforniens mer tempererade klimat innebär att staten behöver mindre el på sommardagar, och mindre efterfrågan varierar på gallret totalt sett. Som ett resultat har Kalifornien mindre produktionskapacitet än Texas för att möta framtida laddningskrav från elbilar.

I 2018 träffade El Pålitliga rådet i Texas, organisationen som hanterar det mesta av Tx-elnätet, en ny topp efterfrågan på ungefär 73 gigawattar den 19 juli. Titta på topptiderna för 19 juli 2018 hittade vi ERCOT gallret hade extra kapacitet att tillhandahålla mer än 350 gigawatt-timmar extra el om tomgångs kraftverk fortsatte att fungera hela dagen, inte bara under högsta efterfrågan.

Baserat på våra uppskattningar skulle laddningskraven för en fullt elektrifierad flotta personbilar i Texas vara cirka 290 gigawatt-timmar per dag, mindre än det tillgängliga överskottet av produktionskapacitet. Med andra ord kan Texas-nätet teoretiskt ladda en fullt elektrifierad fordonsflotta idag om fordon belastas under högtider.

När vi gjorde samma analys för Kalifornien fann vi emellertid att om EV-modeller blev normen skulle det kunna driva den totala efterfrågan på el bortom den befintliga kapaciteten hos den gyllene statsnätet.

Timing är allt

Kanske ännu viktigare än hur mycket el-elproduktion skulle konsumera är frågan om när den skulle konsumeras.

Vi baserade ovanstående uppskattningar på optimala laddningsmönster. Om istället de flesta EV-apparater skulle tas ut på eftermiddagen skulle elnätet behöva mer generationskapacitet för att undvika störningar.

För att möta den efterfrågan skulle Kalifornien och Texas behöva bygga nya kraftverk eller köpa mer el från grannländerna än vad de redan gör. Staterna kan också behöva ytterligare överförings- och distributionsinfrastruktur för att tillgodose ny bilinhämtningsinfrastruktur.

Allt sagt kan övergången till elmotorer från förbränningsmotorer potentiellt kosta tiotals miljarder dollar i Texas och ännu mer i Kalifornien för att installera ny elinfrastruktur om många fordon skulle belastas under högtider.

Incitament kan minska vad det kostar att utrusta rutnätet för massor av elektriska fordon. Till exempel kan verktygen debitera olika priser för el under olika tider på dagen och på olika dagar i veckan. Känd som tidskalkylering kan denna praxis uppmuntra fordonsladdning när el är mer riklig under lågtider och därmed billigare att leverera.

Kalifornien och andra områden, däribland Austin, Texas, har redan börjat använda olika strategier för att genomföra tidsanvändningspriser. Andra regioner kanske vill titta noggrant och anta de lärdomar som lärs på dessa platser som antalet elbilar på vägen stiger.

Vägen framför

Medan EV kan öka den mängd elektricitet som USA konsumerar, kan den investering som krävs för att rymma dem vara mindre än den verkar. Många regioner har redan tillräcklig generationskapacitet om fordon belastas under lågtider. Energilagring ombord EV kan ge den flexibilitet som behövs för att byta laddningstider och hjälpa nätoperatörer att bättre hantera utbudet och efterfrågan på el.

På grund av våra beräkningar skulle de pengar amerikanerna skulle spara i bränslekostnaderna ensam kunna kompensera dessa investeringar.

Om till exempel de flesta av Kaliforniens fordon hade blivit elektriska år 2017, uppskattar vi att dess förare skulle ha sparat omkring 25 miljarder dollar det året i bränslekostnader - baserat på genomsnittspriserna för el och bensin.

Förutom bränslebesparingar förväntar sig vissa marknadsanalytiker att elbilar ska vara billigare än konventionella fordon år 2026, en annan potentiell ekonomisk fördel.

Även om det är utmanande att förutse framtida priser på bensin, el och fordon tror vi att det är troligt att den utbredda användningen av elektriska och elektroniska komponenter skulle minska de totala transportkostnaderna i Kalifornien och på andra håll. Dessa besparingar är ännu större om hänsyn tas till miljöfördelarna, särskilt lägre koldioxidutsläpp.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation av F. Todd Davidson, Dave Tuttle, Joshua D. Rhodes och Kazunori Nagasawa. Läs den ursprungliga artikeln här.