Если дома установить солнечные панели, аккумуляторы и приобрести электромобиль, то поездка на солнечной энергии вполне реальна. Однако есть много факторов, которые следует учитывать при анализе экономической выгоды, а также технических возможностей и ограничений таких систем.
Зарядка электромобиля от домашней солнечной батареи - привлекательное предложение, которое позволяет оптимизировать индивидуальное потребление и повысить экологичность эксплуатации автомобиля. Однако экономический анализ домашних солнечных батарей, аккумуляторов и электромобилей - дело непростое. Необходимо учитывать множество факторов, большинство из которых зависят от географии и рынков электроэнергии.
Как правило, электромобили не могут поглощать избыток электроэнергии во время пиков солнечной генерации, поэтому необходимо приобрести аккумулятор. "Стационарные аккумуляторы стоят дорого, поэтому для их эффективной работы необходим целый ряд условий: высокое годовое потребление электроэнергии; большое количество избыточной солнечной генерации, которую можно перенести на вечернее время; низкие или нулевые тарифы, по которым оплачивается избыточная солнечная генерация, возвращаемая в сеть; и розничные тарифы на электроэнергию с учетом времени использования (ToU)", - говорит Нельсон Нсайтем, аналитик группы хранения энергии компании BloombergNEF (BNEF).
Некоторые рынки отвечают всем этим требованиям. Исследователи из Университета Южной Австралии (UniSA) подсчитали, что домовладельцы, заряжающие электромобили в дневное время от солнечных батарей и системы накопления энергии (BESS), могут сэкономить до 39,6% годовых затрат на электроэнергию по сравнению с владельцами бензиновых автомобилей.
Исследователи проанализировали конфигурации, включающие тарифы ToU и реальные нагрузки, а также данные о фотоэлектрической генерации в домохозяйствах Южной Австралии, варьируя суточную потребность в нагрузке, мощность и стоимость солнечной энергии и BESS, а также ограничения на экспорт электроэнергии. "Для автовладельцев зарядка дома является наиболее удобным вариантом, но для тех, кто по-прежнему полностью зависит от электросетей, затраты могут значительно возрасти", - объяснил профессор Махфуз Азиз после публикации результатов исследования.
Экономия энергии
Исследователи UniSA подсчитали, что при добавлении солнечных батарей потребление энергии из сети снижается примерно на 20%, а при использовании аккумуляторов - на 83%. При ежедневной зарядке электромобиля количество потребляемой энергии значительно возрастает, но при этом потребление из сети можно сократить примерно на 89%.
"Наши результаты показывают, что домохозяйства с бензиновыми автомобилями могут сократить свои годовые расходы на электроэнергию на 6,71% при использовании солнечных батарей и на 10,38% при добавлении системы аккумуляторов", - сказал Азиз. "Замена бензиновых автомобилей на электромобили позволяет снизить годовые затраты на электроэнергию на 24% и 32% соответственно. Наиболее значительного снижения (39,6%) можно добиться при зарядке в непиковые часы".
В странах с дешевыми тарифами на электроэнергию для электромобилей уравнение меняется.
"Стоимость электроэнергии в это время значительно дешевле, чем при обычных тарифах, соответственно выгода от использования собственной солнечной электроэнергии ниже", - говорит Райан Фишер, ведущий аналитик BNEF по зарядке электромобилей.
Например, в Великобритании тариф компании OVO Energy на зарядку EV в любое время составляет 0,10 фунта стерлингов (0,13 долл. США)/кВт-ч. Это сопоставимо со средним тарифом на электроэнергию от GBP 0,35/кВт-ч до GBP 0,40/кВт-ч. Кроме того, поставщик энергии обещает рассчитывать наиболее экологичное время зарядки от сети в пределах, установленных потребителем.
"Если мы возьмем в среднем 3 МВт-ч в год и предположим, что этого можно избежать за счет использования домашней солнечной энергии, и что нет никаких потерь, то это потребует значительной части годового производства солнечной энергии для солнечной системы мощностью 5 кВт, по оценкам, около 4,5 МВт-ч в год", - говорит Фишер из BNEF. "Таким образом, экономия составит всего лишь 300 фунтов стерлингов в год или 3000 фунтов стерлингов за десять лет. Установка бытовой аккумуляторной системы обойдется примерно в 10 000 фунтов стерлингов".
Однако есть и другие причины, по которым домовладельцы могут захотеть установить бытовые аккумуляторные системы.
Некоторые люди хотят иметь резервное питание, другие готовы доплачивать, чтобы потреблять собственную солнечную энергию. Также может применяться метод суммирования доходов. Использование дешевой солнечной энергии для зарядки электромобилей может дополнить использование солнечной энергии от аккумуляторов в периоды пиковых цен на электроэнергию. Если добавить к этому выплаты за присоединение к виртуальным электростанциям (VPP) - например, 2 долл. за кВт-ч, которые выплачиваются членам калифорнийской VPP компании Tesla, - то можно хорошо сэкономить на счетах.
В 2021 году университет Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen провел исследование 8000 домохозяйств в Баден-Вюртемберге (юго-западная Германия). Результаты показали, что 30-35% домов имеют солнечные батареи, стационарный аккумулятор и электромобиль. С тех пор высокие цены на электроэнергию, рост числа электромобилей и тенденция к установке аккумуляторов наряду с солнечными батареями, вероятно, привели к увеличению этого показателя.
Анонсы продуктов отражают эту тенденцию. В июле компания Tesla добавила в свое приложение Powerwall функцию "зарядка от солнечной батареи", позволяющую владельцам автоматически заряжать EV от солнечной батареи.
Однако большинство систем управления зарядкой EV не могут напрямую взаимодействовать со стационарными батареями. С другой стороны, производители солнечных инверторов, такие как SolarEdge, Fronius, Growatt, SMA и Sungrow, а также поставщики аккумуляторов, включая Sonnen, Senec и Solarwatt, предлагают платформы, распознающие домашние аккумуляторы в паре с фотоэлектрическими и собственными зарядными устройствами для электромобилей.
По мере дальнейшей электрификации домохозяйств интеграция всех конечных устройств энергоснабжения, вероятно, станет отраслевым стандартом. Учитывая важность совместимости, более выгодно покупать устройства одного производителя, так как разные приложения и несогласованное оборудование могут усложнить их эксплуатацию.
"Со временем компании, вероятно, найдут способы интеграции большего количества силовой электроники для солнечных батарей, бытовых аккумуляторов и зарядных устройств для электромобилей, что может помочь в экономическом обосновании", - говорит Фишер из BNEF.
Учитывая емкость большинства домашних аккумуляторов и аккумуляторов EV, кажется странным использовать стационарные устройства, имеющие в среднем в пять раз меньшую емкость, для зарядки аккумуляторов в автомобилях.
"Домашняя батарея не знает, отдает она энергию другой батарее или стиральной машине", - говорит Гаутам Рам, доцент кафедры электромобилей Делфтского технологического университета (TU Delft). "До тех пор, пока она выдает такое же количество энергии и мощности и такое же количество циклов и глубину разряда, старение будет одинаковым. В то же время, покупая батарею, следует понимать, что в процессе эксплуатации она будет деградировать и это нормально". Однако, поскольку электромобили и тепловые насосы являются гибкими нагрузками, более разумно использовать домашнюю батарею для менее гибких нагрузок и уменьшить старение этой батареи за счет интеллектуального управления питанием".
Некоторые бытовые аккумуляторы, предлагаемые сегодня, обеспечивают около 10 000 циклов зарядки в течение 10-летнего гарантийного срока. В среднем EV проезжает около 40 км в день, что соответствует 7 кВт-ч энергии зарядки и меньше, чем может накопить большая домашняя батарея в солнечный день.
"Предположим, что зарядка EV добавляет 50% полного цикла в день для системы емкостью 14 кВт-ч в летний период. За год это составит около 100 полных циклов, а если прибавить к этому числу циклов для дома, то получится 200 полных циклов", - объясняет Ян Фиггенер, руководитель отдела сетевой интеграции и анализа систем хранения в RWTH Aachen. "Даже если вместо 200 циклов в год будет достигнуто 300, то 3000 полных циклов в течение 10 лет все равно значительно ниже большинства гарантийных условий. В большинстве случаев все циклы, указанные в гарантии, не используются, так как срок службы изделия определяет календарное старение. Батареи стареют даже в нерабочем состоянии, так же как и люди стареют во время сна".
Ограничение также не связано с фотоэлектрической системой. Но чем она больше, тем эффективнее самопотребление. Типичной системы мощностью 10 кВт может быть достаточно для зарядки как EV, так и домашних накопителей.
Различные нагрузки
"Большой дом может потреблять около 5 кВтч за ночь, а EV - 7 кВт-ч для среднестатистической ежедневной поездки, что в сумме составит 12 кВт-ч. В солнечный день для выработки этой энергии требуется всего пара часов", - говорит Фиггенер. "Эффективность зарядки EV зависит от силовой электроники, которая показывает высокую эффективность при высокой мощности и низкую эффективность при низкой мощности. Здесь возникает конфликт между энергопотреблением EV и дома".
Для зарядки EV требуется более высокая мощность - в киловаттах. Однако потребление дома обычно составляет около нескольких сотен ватт за ночь. Если заряжать EV только от стационарной батареи, то необходим большой инвертор, что приведет к большим потерям при покрытии потребления электроэнергии в доме.
"Наилучшим вариантом будет зарядка EV непосредственно от фотоэлектрической системы, причем только один-два раза в неделю", - говорит Фиггенер. "Большая мощность фотоэлектрической системы соответствует потребности EV, и можно избежать потерь эффективности домашней системы хранения энергии".
В таком случае домашний аккумулятор может быть меньше и будет использоваться только в качестве резерва для зарядки EV, его основное предназначение все равно будет заключаться в обеспечении потребления энергии в доме.
Существуют и другие способы согласовать взаимодействие солнечных батарей и электромобилей. По мнению Гаутама Рама из Технического университета Делфта (TU Delft), оптимальным способом повышения эффективности является интеграция всего на стороне постоянного тока (DC) с использованием только одного инвертора. В такой конфигурации энергия поступает от солнечной батареи к домашнему аккумулятору и ее не нужно преобразовывать в переменный ток, а затем обратно в постоянный для зарядки аккумулятора электромобиля.
Соединение по постоянному току может повысить эффективность преобразования энергии на 5-10% в зависимости от уровня мощности. В такой конфигурации нужен всего один инвертор, вместо трех, что существенно снижает капитальные затраты на всю систему. Однако также необходимо подумать о двунаправленной зарядке, которая может компенсировать инвестиции в дополнительный аккумулятор и обеспечить тот же или даже больший экономический выигрыш.