Wie viel Strom braucht es, um Elektroautos der Zukunft zu betreiben?

Heute sind weniger als zwei Prozent der Fahrzeuge, die Amerikaner kaufen, elektrisch. In den nächsten drei Jahrzehnten erwarten einige Experten aus der Automobilindustrie, dass Elektrofahrzeuge den Großteil der Pkw-Verkäufe in den USA und weltweit ausmachen könnten.

Insgesamt verzeichnen amerikanische Fahrer etwa 3 Billionen Meilen pro Jahr und verbrauchen dabei mehr als 170 Milliarden Gallonen Benzin und Diesel. Die Umwandlung all dieser Straßenmeilen in Strom würde neue Anforderungen an das System der Nation zur Erzeugung und Lieferung von Elektrizität stellen.

Im Rahmen einer großen Energieinfrastrukturstudie möchten wir herausfinden, wie ein Anstieg der Elektrofahrzeuge die Bereitstellung und den Verbrauch von Energie verändern kann. Bisher haben wir herausgefunden, dass die Auswirkungen von Elektrofahrzeugen davon abhängen, wo Sie leben und wann sie aufgeladen werden.

Schätzung, wie viel Elektrizität EVs erfordern wird

Mit einer ähnlichen Technik, die wir in unserer kürzlich erschienenen Arbeit über Wasserstofffahrzeuge vorgestellt haben, entwickelten wir eine staatliche Bewertung der Strommenge, die erforderlich wäre, um eine elektrifizierte Flotte von Personenkraftwagen, Lastkraftwagen und SUV aufzuladen.

Zunächst haben wir die Benzinmenge geschätzt, die heute in jedem Bezirk verbraucht wird. Wir haben dann die gefahrenen Kilometer in Strombedarf umgerechnet, basierend auf der Effizienz der heutigen Elektrofahrzeuge.

Zugegebenermaßen haben diese Methoden Einschränkungen. Die Anzahl der gefahrenen Kilometer könnte sich erheblich ändern, wenn autonome Fahrzeuge alltäglich werden und mehr Menschen beispielsweise auf Uber, Lyft und andere Fahrzeug-Sharing-Dienste angewiesen sind. Wir sind jedoch der Ansicht, dass unser Ansatz einen guten Ausgangspunkt für die Abschätzung des zukünftigen Strombedarfs darstellt, wenn Elektrofahrzeuge zur Norm werden.

Regionale Auswirkungen

Das elektrische Stromnetz der USA hat sich kontinuierlich weiterentwickelt, um den neuen Anforderungen des letzten Jahrhunderts gerecht zu werden. Aber wenn die Fahrzeuge der Nation schnell elektrisch werden, müsste das Netz schneller wechseln. In Abhängigkeit von den Fahrgewohnheiten vor Ort und der bereits vorhandenen Netzinfrastruktur zeigt unsere Analyse, dass EVs in verschiedenen Regionen unterschiedliche Auswirkungen haben werden.

Da Texas und Kalifornien mehr Strom verbrauchen als alle anderen Bundesstaaten, bieten sie eine gute Momentaufnahme, wie eine Zukunft mit Elektrofahrzeugen aussehen könnte. In beiden Fällen würde ein Anstieg der Elektrofahrzeuge den Verbrauch erhöhen, was die lokale Infrastruktur belasten könnte.

Wenn heute praktisch alle Personenwagen in Texas elektrifiziert würden, würde der Staat pro Jahr etwa 110 Terawattstunden Strom benötigen - der durchschnittliche jährliche Stromverbrauch von 11 Millionen Haushalten. Der zusätzliche Strombedarf würde zu einem Anstieg des Stromverbrauchs in Texas um 30 Prozent führen.

Im Vergleich dazu könnte Kalifornien aufgrund eines gemäßigten Klimas fast 50 Prozent mehr Strom verbrauchen, als es derzeit verbraucht, wenn die Pkw in diesem Bundesstaat vollständig elektrifiziert würden. Das bedeutet, dass Kalifornien pro Jahr zusätzlich 120 Terawattstunden Strom erzeugen muss.

Eine Geschichte von zwei Gittern

Ein Blick auf die beiden Bundesstaaten zeigt, wie unterschiedlich die Abhängigkeit von Elektrofahrzeugen sein kann.

An heißen Sommernachmittagen verbraucht Texas etwa die Hälfte des erzeugten Stroms für die Klimatisierung von Gebäuden, um die Gebäude kühl zu halten. Aufgrund der großen saisonalen Schwankungen des Strombedarfs aufgrund der Klimatisierung verfügt der Staat über Kraftwerke, die viele Stunden im Jahr stillstehen. Die Kapazitätsreserven zu Zeiten außerhalb der Spitzenzeiten könnten es Texas erleichtern, den zukünftigen Strombedarf von Elektrofahrzeugen zu decken.

Das gemäßigtere Klima in Kalifornien bedeutet, dass der Staat an Sommertagen weniger Strom benötigt und das Netz insgesamt weniger unterschiedlich schwankt. Infolgedessen verfügt Kalifornien über weniger Stromerzeugungskapazität als Texas, um den zukünftigen Ladeanforderungen von Elektrofahrzeugen gerecht zu werden.

Im Jahr 2018 erreichte das Electric Reliability Council of Texas, die Organisation, die den größten Teil des Stromnetzes in Texas verwaltet, am 19. Juli eine neue Spitzennachfrage von rund 73 Gigawatt. Bei den Off-Peak-Zeiten für den 19. Juli 2018 fanden wir den ERCOT Das Netz verfügte über Kapazitätsreserven, um mehr als 350 Gigawattstunden zusätzlichen Strom bereitzustellen, wenn untätige Kraftwerke den ganzen Tag über in Betrieb waren, nicht nur während der Spitzenlast.

Nach unseren Schätzungen würde der Ladebedarf für eine vollständig elektrifizierte Privatfahrzeugflotte in Texas etwa 290 Gigawattstunden pro Tag betragen, was unter dem verfügbaren Überschuss an Erzeugungskapazität liegt. Mit anderen Worten, das Netz in Texas könnte theoretisch heute eine vollständig elektrifizierte Fahrzeugflotte aufladen, wenn die Fahrzeuge außerhalb der Stoßzeiten aufgeladen würden.

Als wir dieselbe Analyse für Kalifornien durchführten, stellten wir jedoch fest, dass durch die Verwendung von Elektrofahrzeugen die Gesamtnachfrage nach Strom über die vorhandene Kapazität des Stromnetzes des Goldenen Staates hinausgehen könnte.

Timing ist alles

Noch wichtiger als der Stromverbrauch von Elektrofahrzeugen ist vielleicht die Frage, wann sie verbraucht wird.

Wir stützten die obigen Schätzungen auf optimale Lademuster außerhalb der Spitzenlast. Wenn stattdessen die meisten Elektrofahrzeuge am Nachmittag aufgeladen werden müssten, würde das Stromnetz mehr Erzeugungskapazität benötigen, um Ausfälle zu vermeiden.

Um diesen Bedarf zu decken, müssten Kalifornien und Texas neue Kraftwerke bauen oder mehr Strom aus Nachbarstaaten beziehen, als dies bereits der Fall ist. Die Bundesstaaten benötigen möglicherweise auch eine zusätzliche Übertragungs- und Verteilungsinfrastruktur, um neue Ladeinfrastruktur für Kraftfahrzeuge unterzubringen.

Alles in allem könnte der Umstieg auf Elektrofahrzeuge von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor in Texas und in Kalifornien sogar noch mehr als zehn Milliarden Dollar kosten, um eine neue Strominfrastruktur zu installieren, wenn viele Fahrzeuge zu Spitzenzeiten aufgeladen werden müssten.

Anreize könnten die Kosten für die Ausstattung des Stromnetzes für viele Elektrofahrzeuge reduzieren. Versorgungsunternehmen könnten beispielsweise zu unterschiedlichen Tageszeiten und an verschiedenen Wochentagen unterschiedliche Tarife für Strom berechnen. Diese als Time-of-Use-Preis bekannte Vorgehensweise kann das Aufladen von Fahrzeugen fördern, wenn der Strom außerhalb der Stoßzeiten größer ist und daher günstiger in der Versorgung ist.

Kalifornien und andere Gebiete, einschließlich Austin, Texas, haben bereits begonnen, unterschiedliche Strategien für die Implementierung von Nutzungszeiten anzuwenden. Andere Regionen möchten vielleicht genau hinschauen und die Lehren an diesen Orten übernehmen, wenn die Anzahl der Elektrofahrzeuge auf der Straße steigt.

Die Straße entlang

Während Elektrofahrzeuge die in den USA verbrauchte Elektrizitätsmenge erhöhen könnten, sind die für ihre Unterbringung erforderlichen Investitionen möglicherweise geringer, als es den Anschein hat. Viele Regionen verfügen bereits über ausreichende Erzeugungskapazitäten, wenn Fahrzeuge außerhalb der Stoßzeiten aufgeladen werden. Die Energiespeicherung an Bord von Elektrofahrzeugen könnte die notwendige Flexibilität bieten, um Ladezeiten zu verschieben, und Netzbetreibern helfen, das Angebot und die Nachfrage nach Strom besser zu steuern.

Nach unseren Berechnungen könnte das Geld, das Amerikaner allein bei den Treibstoffkosten einsparen, diese Investitionen ausgleichen.

Wären die meisten kalifornischen Fahrzeuge beispielsweise bis 2017 elektrisch, hätten ihre Fahrer in diesem Jahr rund 25 Milliarden Dollar an Kraftstoffkosten eingespart - basierend auf den Durchschnittspreisen für Strom und Benzin.

Neben Kraftstoffeinsparungen erwarten einige Marktanalysten, dass Elektroautos bis 2026 billiger als herkömmliche Fahrzeuge sein werden, ein weiterer potenzieller wirtschaftlicher Vorteil.

Obwohl es schwierig ist, die zukünftigen Preise für Benzin, Strom und Fahrzeuge vorherzusagen, ist es unseres Erachtens wahrscheinlich, dass der breite Einsatz von Elektrofahrzeugen die Gesamtkosten für den Transport in Kalifornien und anderswo senken würde. Diese Einsparungen sind noch größer, wenn die Umweltvorteile, insbesondere der geringere CO2-Ausstoß, berücksichtigt werden.

Dieser Artikel wurde ursprünglich von F. Todd Davidson, Dave Tuttle, Joshua D. Rhodes und Kazunori Nagasawa auf The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie hier den Originalartikel.