La recharge des véhicules électriques ne détruira pas le réseau électrique

Je travaille sur la recharge des véhicules électriques depuis 2014, et pendant cette période, j'ai entendu des opinions profondément étranges sur la recharge des véhicules électriques et les différentes façons dont elle détruira le réseau.

Il existe trois classes principales d'étrangeté de charge EV; problèmes énergétiques, problèmes de capacité et problèmes techniques. Je vais commencer par la technique car il n'y a qu'un seul exemple majeur :

Au début, les fournisseurs de services de réseau de distribution (DNSP, comme Essential Energy en Nouvelle-Galles du Sud) examinaient nos applications de connexion et les faisaient passer pour la plupart comme une autre grosse charge.

Mais de temps en temps, l'application atterrissait sur le bureau de quelqu'un d'un peu plus curieux, qui se demandait pourquoi 500kVA était connecté à un parking abandonné et cherchait plus de détails.

Les gros chargeurs CC ont de gros redresseurs, et tout ingénieur électricien digne de ce nom sait que les (anciens) redresseurs produisent une distorsion harmonique.

Cela modifie la forme de la courbe de tension alternative, souvent en réfléchissant en quelque sorte des ondes plus petites à travers le réseau, d'où la partie harmonique du terme.

Au lieu d'une belle courbe sinusoïdale parfaite, quelque chose pourrait refléter une courbe sinusoïdale à 100 Hz, plutôt qu'à 50 Hz, de sorte que les ondes s'additionnent parfois et se soustraient à d'autres. Le réseau est impacté par la façon dont l'appareil utilise l'alimentation.

L'exemple le plus classique de quelque chose qui introduit une distorsion harmonique est un sèche-cheveux bon marché.

À pleine puissance, le sèche-cheveux consomme autant de courant que possible et le transforme en chaleur, le moteur et le chauffage étant parfaitement synchronisés avec le réseau. Mais cela devient un peu chaud, donc il y a aussi une demi-puissance sur le sèche-cheveux.

Pour atteindre la moitié de la puissance, ce commutateur fait tomber une diode dans le circuit d'alimentation, ce qui signifie que le sèche-linge n'utilise plus que la moitié de l'onde sinusoïdale.

Au lieu d'utiliser toute la courbe, au-dessus et au-dessous de zéro, il n'utilise que le bit au-dessus de zéro, comme une série de dos d'âne.

Si la sécheuse n'utilise que le positif, où va le négatif ?

Retour à la grille, comme distorsion harmonique.

Il y a 50 ans, les seuls grands redresseurs produisaient de l'énergie pour les lignes de train et de tramway, et les ingénieurs savaient qu'ils devaient prendre des précautions pour les gérer.

En règle générale, ils essaieraient d'isoler les harmoniques en utilisant un transformateur, qui atténue ces bords plus étranges transformant la courbe entre les bobines.

L'approvisionnement des trains est gérable parce qu'il s'agit de grands sites dédiés avec toutes les cloches et tous les sifflets d'ingénierie.

Que va-t-il se passer quand ils commenceront à planter de gros redresseurs partout, cela empoisonnera-t-il la courbe sinusoïdale pour tout le monde ?

Heureusement, les fabricants de chargeurs sont confrontés à ce problème et ont mis en place des correctifs et des tests pour montrer leurs performances de distorsion harmonique.

Il s'agit généralement d'un problème qui se résout lui-même ; si le gros redresseur est séparé du reste du réseau par un transformateur, disons un transformateur de distribution dédié de 500 kVA, la distorsion sera largement limitée à cette petite partie du réseau et aucun problème pour les autres utilisateurs.

Certains fabricants incluent un transformateur d'isolement dans la conception de leur chargeur, séparé de tout transformateur de distribution potentiel. Et tous effectuent désormais des tests de "distorsion harmonique totale" en standard et peuvent émettre des rapports indiquant que "THD <5%" si quelqu'un commence à poser des questions.

Mais, je pense que l'industrie a rattrapé cela en parallèle, car on ne m'a pas posé de questions sur le THD depuis quelques années maintenant.

"D'où viendra toute cette électricité ! Nous aurons besoin de quadrupler la production ! Et de toute façon, c'est du charbon !"

En commençant par le charbon, oui, c'est un problème que nous produisons encore beaucoup d'électricité à partir du charbon, mais nous pouvons le résoudre en parallèle avec le déploiement des véhicules électriques en passant à une énergie propre pour notre électricité.

Même avec la technologie d'alimentation actuelle, les véhicules électriques sont un meilleur résultat pour le climat et continueront de s'améliorer avec le temps.

Pour moi, l'étude de référence à ce sujet est celle d'Auke Hoekstra, utilement résumée et liée dans cet article de RenewEconomy.

De combien d'électricité un VE a-t-il besoin ? En Australie, le trajet quotidien moyen est d'environ 40 km, soit environ 15 000 km par an, répartis sur 365 jours.

En supposant que 20kWh/100km pour un VE semble à peu près correct, c'est ma règle générale depuis 5 ans maintenant, donc pour parcourir 40km votre VE aura besoin d'environ 8kWh par jour.

La maison australienne moyenne utilise environ 20 kWh/jour. Ainsi, l'ajout de 8 kWh à une charge domestique l'augmente d'environ 40 %. Pas des multiples de l'utilisation normale de la maison, une augmentation de 40 %.

D'où viendra cette énergie ? Le réseau, mais nous devons nous assurer que c'est de l'énergie propre.

Les conducteurs de VE peuvent s'assurer que leur alimentation est propre en ajoutant de l'énergie solaire et en se branchant au bon moment. Pour fournir 8 kWh/jour en Australie, il ne faut que 2 kW d'énergie solaire, plus 5 autres pour couvrir la charge de la maison.

Ce joli graphique d'APVI montre que le système domestique moyen en Australie est maintenant supérieur à 8 kW, donc je considère cela comme une preuve qu'il est faisable et assez pratique d'ajouter suffisamment d'énergie solaire pour couvrir la charge de votre maison et de votre voiture. C'est ce que nous avons fait.

L'énergie solaire et la recharge à domicile seront difficiles pour certaines personnes, en particulier celles qui louent, vivent dans des appartements ou dans l'une de ces rues cauchemardesques de Sydney où vous vous garez partout où vous trouvez une place et cela peut être à 6 km de chez vous.

Ces personnes dépendront de la recharge publique, et la propreté de leur électricité dépend des pratiques d'approvisionnement de ceux qui gèrent le réseau.

Je travaille chez Chargefox, le plus grand réseau de recharge public d'Australie, et nous travaillons dur pour nous assurer que toute l'énergie que nous achetons est de l'énergie propre.

Quand je travaillais chez Tesla AU, ils faisaient la même chose, et j'entends dire que d'autres réseaux construits en Australie font la même chose.

Donc, en ce qui concerne l'énergie, oui, nous pouvons fournir l'électricité supplémentaire et oui, il peut s'agir d'énergie propre. Il y a du travail à faire, mais des voies précises pour y arriver.

Ce sont probablement les plus difficiles à comprendre pour les profanes, car les problèmes de capacité dépendent du temps et peuvent survenir n'importe où.

J'ai longuement parlé des problèmes de capacité du Battery Post, mais je vais résumer ici.

Les problèmes de capacité surviennent partout dans le réseau électrique où trop de puissance tente de circuler. Ils peuvent se produire dans le standard de votre maison lorsque vous essayez de faire fonctionner la sécheuse, le four et le fer en même temps.

Ils peuvent se produire dans des sous-stations à l'échelle de la banlieue lorsque chaque maison de la banlieue essaie de pomper l'énergie solaire dans le réseau, dépassant la capacité en sens inverse.

L'élément clé à retenir ici, et cela nous ramène à notre ami du début, est que les chargeurs de VE ne sont qu'une autre charge électrique. Ils ne sont pas spéciaux.

C'est comme si vous installiez un nouveau climatiseur ou un nouveau chauffe-eau. C'est une chose qui utilise de l'électricité, ajoutée à un système conçu dès le départ pour ajouter de nouvelles choses sans le casser.

Il y a beaucoup à déballer avec les problèmes de capacité et la façon dont ils sont gérés, nous allons donc commencer au niveau de la maison.

Supposons que vous achetiez une belle Leaf 2014 d'occasion et que vous souhaitiez installer un chargeur chez vous. Vous appellerez un électricien et lui demanderez d'installer le chargeur.

Le travail à temps plein de l'électricien consiste à connecter de nouveaux appareils électriques et à s'assurer qu'ils ne cassent rien lorsqu'ils le font.

Ainsi, lorsqu'ils installent le chargeur chez vous, ils s'assurent que la somme des charges potentielles dans votre tableau ne dépasse pas la capacité du tableau.

Et si quelque chose ne va pas, quelqu'un ajoute 3 radiateurs à un seul point d'alimentation, puis le circuit qui consomme trop de courant se déclenchera, déconnectant la demande et protégeant le tableau de distribution.

Mais que se passe-t-il si tout le monde dans une rue installe un chargeur, chaque maison ayant une capacité suffisante pour utiliser pleinement sa connexion ?

Cela peut devenir un problème au niveau du transformateur de distribution local, ce dont parle le tweet en question.

La différence est cependant qu'en l'absence de toute protection, oui, installer trop de chargeurs peut détruire un transformateur, mais pour la même raison, allumer trop de radiateurs ne détruit pas le tableau de votre maison, cela n'arrivera pas.

Le transformateur a aussi des fusibles et des disjoncteurs. Si tout va mal et que le transformateur est trop sollicité, avec ou sans chargeurs EV, le disjoncteur se déclenchera ou le fusible sautera.

Cela n'arrive que très rarement, car les électriciens travaillent tous dans des limites, et ces limites s'additionnent au transformateur.

Mais si quelqu'un fait une erreur, seuls les fusibles du transformateur sauteront, il n'y a aucun moyen que la durée de vie soit réduite d'un ordre de grandeur.

Jouez ceci en avant et vous pouvez voir que c'est un problème si tout le monde installe un chargeur et essaie tous de charger en même temps. Les transformateurs comptent sur deux choses pour rester en sécurité ; "diversité" des charges et protection thermique de quelque chose de gros et de lourd.

Les transformateurs sont en fait assez résistants et peuvent fonctionner à une charge bien supérieure à leur charge nominale pendant de courtes périodes.

Un transformateur de 500 kVA peut débiter 500 kVA en continu et culminer à 650 kVA pendant une heure ou plus, certains pouvant même atteindre 1 000 kVA pendant une courte période.

C'est un problème de chaleur. Quand il est trop utilisé, il chauffe. La chaleur s'accumule jusqu'à ce que quelque chose tombe en panne. Mais ce sont de gros objets lourds, généralement refroidis à l'huile, de sorte qu'une soudaine poussée de chaleur peut être absorbée et dissipée.

Encore plus lorsque le transformateur est en haut d'un poteau et qu'il fait froid.

La diversité des charges est le degré auquel elles ne coïncident pas.

Supposons que vous ayez 100 A de charges potentielles chez vous, mais que vous ne les utilisiez jamais toutes en même temps, peut-être que la valeur la plus élevée que vous ayez jamais exigée est de 50 A.

Vous pourriez dire que vous avez une diversité de 50 %. Les réseaux de distribution locaux fonctionnent sur la même théorie, à savoir qu'il est très peu probable que tout le monde utilise suffisamment de charge en même temps pour tester le transformateur.

Et s'ils le font accidentellement, les fusibles tombent en panne, pas le transformateur.

Il s'agit d'une stratégie de gestion insatisfaisante, reposant sur des fusibles pour économiser les transformateurs, donc une nouvelle technologie arrive pour gérer cela. Il y a un risque que toutes les maisons de la rue se branchent en même temps et fassent cuire le transformateur.

Comment pouvons-nous mieux gérer cela?

Avec la charge intelligente, cela peut résoudre presque tous les problèmes de capacité de charge des véhicules électriques que j'ai vus.

Le problème de trop de chargeurs sur un circuit se produit déjà dans certains bâtiments commerciaux et est analogue à trop de maisons dans une rue qui s'allument en même temps, mais c'est le tableau de distribution du bâtiment qui est menacé, plutôt que le transformateur local.

La recharge intelligente repose sur le fait que les problèmes de capacité sont généralement de très courte durée, donc si vous pouvez reporter une charge pendant un petit moment, il y a de fortes chances que vous puissiez éviter la congestion.

À l'échelle de la banlieue, cela signifie reporter la recharge des véhicules électriques jusqu'après le pic de 19 heures, ce qui est facile. Les voitures sont généralement à l'arrêt pendant 12 heures et n'ont besoin que de quelques heures pour se recharger complètement.

En utilisant des chargeurs EV avec des connexions Internet, il est possible d'orchestrer tous les chargeurs ensemble et de s'assurer qu'ils ne tirent pas tous en même temps.

Les chargeurs ont un protocole de langage qui permet d'augmenter et de réduire leur alimentation avec des commandes standardisées.

Ainsi, un système de charge intelligent mesurera la demande au tableau de distribution, puis augmentera ou diminuera les chargeurs pour s'assurer que le total ne dépasse pas la limite de conception.

Ensuite, une autre couche d'intelligence peut être appliquée par-dessus pour s'assurer que les voitures se rechargent comme vous le souhaitez. Peut-être que la voiture 3 doit être pleine à midi, mais la voiture 4 peut attendre jusqu'à 16 heures. Le système peut gérer tout cela. Ces systèmes sont déjà utilisés aujourd'hui, utilisant des chargeurs résidentiels connectés et des parkings de trains de banlieue.

Cela couvre tous les petits chargeurs, qu'en est-il des gros ? Les énormes sites de recharge interurbains qui peuvent recharger une voiture en quelques minutes plutôt qu'en heures ?

Toutes ces mêmes protections continuent de s'appliquer à plus grande échelle, ce sont juste des personnes différentes qui donnent leur approbation.

Plutôt que votre électricien local donne la permission de se connecter, c'est l'opérateur du réseau qui s'assure que nous n'ajoutons pas trop de charge au circuit.

Plutôt que de surcharger votre transformateur de distribution local, le réseau 11 000 V pourrait être surchargé.

Mais il n'est pas surchargé, pour les mêmes raisons ; il existe un processus solide contrôlant les nouvelles connexions ; il y a une diversité dans les charges permettant d'en connecter plus que ce qui peut fonctionner en même temps ; si par hasard ils en demandent trop à la fois, des fusibles et des disjoncteurs protègent l'équipement ; et si nous constatons que nous frappons régulièrement ces garanties, nous pouvons appliquer une charge intelligente et une mesure des points de contrôle.

C'est une longue façon de dire que oui, il y a des défis techniques avec l'ajout de VE au réseau, mais ce sont des problèmes surmontables, qui peuvent être résolus avec la technologie et les systèmes existants.

Les chargeurs EV ne sont qu'une autre charge, ajoutée à un système conçu à partir de zéro pour ajouter de nouvelles charges. Les véhicules électriques arrivent et le réseau se nettoie en parallèle. J'ai l'impression de l'avoir dit un peu récemment mais :

Ça marche. Continuer.

Evan Beaver est responsable de la charge chez ChargeFox. Cet article a été publié pour la première fois sur son blog : EVcricket Energy. Reproduit avec permission.