Quanta elettricità ci vorrà per alimentare le auto elettriche del futuro?

Oggi meno del due per cento dei veicoli acquistati dagli americani sono elettrici. Ma entro i prossimi tre decenni, alcuni esperti del settore automobilistico si aspettano che i veicoli elettrici possano costituire la maggior parte delle vendite di auto statunitensi e globali.

Tutto sommato, i conducenti americani registrano circa 3 trilioni di miglia all'anno, consumando più di 170 miliardi di galloni di benzina e diesel nel processo. Trasformare tutte quelle miglia su strada in elettricità metterebbe nuove richieste al sistema nazionale per produrre e fornire elettricità.

Come parte di un importante studio sull'infrastruttura energetica, stiamo cercando di capire in che modo un aumento dei veicoli elettrici (EV) potrebbe cambiare il modo in cui l'energia viene fornita e consumata. Finora, abbiamo capito che l'impatto dei veicoli elettrici dipende da dove vivi e quando vengono caricati.

Stima di quanto aumenteranno le EV elettriche

Utilizzando una tecnica simile descritta nel nostro recente documento sui veicoli a idrogeno, abbiamo sviluppato una valutazione statale della quantità di elettricità necessaria per caricare una flotta elettrificata di auto, camion e SUV personali.

Abbiamo iniziato stimando la quantità di benzina che ogni contea consuma oggi. Abbiamo quindi convertito le miglia del veicolo viaggiate in requisiti di elettricità in base all'efficienza dei veicoli elettrici di oggi.

Indubbiamente, questi metodi hanno limitazioni. Il numero di miglia percorse potrebbe cambiare in modo significativo se i veicoli autonomi diventeranno luoghi comuni e più persone si affidano ad Uber, Lyft e ad altri servizi di condivisione di veicoli, ad esempio. Tuttavia, riteniamo che il nostro approccio fornisca un buon punto di partenza per stimare la domanda futura di elettricità se i veicoli elettrici diventano la norma.

Impatti regionali

La rete elettrica degli Stati Uniti si è continuamente evoluta per accogliere nuove richieste nel corso dell'ultimo secolo. Ma se i veicoli della nazione diventassero rapidamente elettrici, la rete avrebbe bisogno di cambiare più velocemente. A seconda delle abitudini di guida locali e dell'infrastruttura di rete già esistente, la nostra analisi mostra che gli EV avranno impatti diversi nelle diverse regioni.

Dal momento che il Texas e la California consumano più elettricità di qualsiasi altro stato, forniscono una buona istantanea di ciò che potrebbe sembrare un futuro pieno di veicoli elettrici. In entrambi i casi, un aumento dei veicoli elettrici porterebbe a un consumo più elevato, con il potenziale di affaticare le infrastrutture locali.

Se oggi praticamente tutte le autovetture del Texas fossero elettrificate, lo stato avrebbe bisogno di circa 110 nuove terawattora di elettricità all'anno - il consumo medio annuo di elettricità di 11 milioni di case. La maggiore domanda di elettricità comporterebbe un aumento del 30% rispetto al consumo corrente in Texas.

In confronto, a causa di un clima più temperato, la California potrebbe richiedere circa il 50 percento di elettricità in più di quanto attualmente consuma se i veicoli passeggeri nello stato fossero completamente elettrificati. Ciò significa che la California avrebbe bisogno di generare ulteriori 120 terawattora di elettricità all'anno.

Una storia di due griglie

Uno sguardo alle griglie dei due stati dimostra come la dipendenza dai veicoli elettrici per la mobilità possa variare da un posto all'altro.

Nei caldi pomeriggi estivi, il Texas utilizza circa la metà dell'energia elettrica che genera per alimentare l'aria condizionata per mantenere gli edifici freschi. Le grandi variazioni stagionali della domanda di elettricità dovute all'aria condizionata indicano che lo stato ha centrali elettriche che rimangono inutilizzate per molte ore dell'anno. La capacità di riserva durante le ore non di punta potrebbe rendere più facile per il Texas soddisfare le future richieste di elettricità dei veicoli elettrici.

Il clima più temperato della California significa che lo stato ha bisogno di meno elettricità nelle giornate estive e meno variabilità della domanda sulla rete in generale. Di conseguenza, la California ha meno capacità di generazione disponibile del Texas per soddisfare le future richieste di ricarica dei veicoli elettrici.

Nel 2018, l'Electric Reliability Council del Texas, l'organizzazione che gestisce la maggior parte della rete elettrica del Texas, ha colpito una nuova domanda di picco di circa 73 gigawatt il 19 luglio. Guardando le ore di punta per il 19 luglio 2018, abbiamo trovato l'ERCOT la rete aveva una capacità inutilizzata di fornire oltre 350 gigawattora di energia elettrica supplementare se le centrali elettriche inutilizzate continuavano a funzionare durante il giorno, non solo durante la domanda di picco.

Sulla base delle nostre stime, i requisiti di tariffazione per una flotta di auto personali completamente elettrizzata in Texas sarebbero di circa 290 gigawattora al giorno, inferiori all'eccedenza disponibile di capacità di generazione. In altre parole, la rete del Texas potrebbe teoricamente caricare una flotta di veicoli completamente elettrificata oggi se i veicoli fossero caricati durante le ore non di punta.

Quando abbiamo fatto la stessa analisi per la California, tuttavia, abbiamo scoperto che se i veicoli elettrici diventano la norma, potrebbero spingere la domanda totale di energia elettrica oltre la capacità esistente della rete del Golden State.

Il tempismo è tutto

Forse ancora più importante di quanto gli EV elettrici consumerebbero è la questione di quando sarebbe consumato.

Abbiamo basato le stime sopra riportate su modelli di ricarica ottimali e non di punta. Se invece la maggior parte dei veicoli elettrici dovesse essere caricata nel pomeriggio, la rete elettrica avrebbe bisogno di più capacità di generazione per evitare interruzioni.

Per soddisfare questa domanda, la California e il Texas avrebbero bisogno di costruire nuove centrali elettriche o acquistare più elettricità dagli Stati vicini di quanto non facciano. Gli stati potrebbero anche aver bisogno di un'infrastruttura di trasmissione e distribuzione aggiuntiva per ospitare nuove infrastrutture di ricarica per autoveicoli.

Tutto sommato, la transizione verso veicoli elettrici da veicoli a motore a combustione interna potrebbe potenzialmente costare decine di miliardi di dollari in Texas e ancor più in California per installare nuove infrastrutture elettriche se molti veicoli dovessero essere caricati nelle ore di punta.

Gli incentivi potrebbero ridurre quanto costerà equipaggiare la rete per molti veicoli elettrici. Ad esempio, le utility potrebbero addebitare tariffe diverse per l'elettricità in diversi momenti della giornata e in diversi giorni della settimana. Conosciuto come prezzo del tempo di utilizzo, questa pratica può incoraggiare la ricarica dei veicoli quando l'elettricità è più abbondante durante le ore non di punta e quindi più economica da fornire.

La California e altre aree, tra cui Austin, in Texas, hanno già iniziato a utilizzare diverse strategie per implementare i tassi di utilizzo. Altre regioni potrebbero voler osservare da vicino e adottare le lezioni apprese in quei luoghi poiché il numero di veicoli elettrici sulla strada aumenta.

La strada davanti

Mentre i veicoli elettrici potrebbero aumentare la quantità di elettricità consumata dagli Stati Uniti, l'investimento richiesto per accoglierli potrebbe essere inferiore a quello che sembra. Molte regioni hanno già una capacità di generazione sufficiente se i veicoli vengono caricati durante le ore non di punta. L'accumulo di energia a bordo dei veicoli elettrici potrebbe fornire la flessibilità necessaria per spostare i tempi di ricarica e aiutare gli operatori di rete a gestire meglio l'offerta e la domanda di energia elettrica.

Inoltre, in base ai nostri calcoli, i soldi che gli americani avrebbero risparmiato nei soli costi del carburante potrebbero compensare questi investimenti.

Ad esempio, se la maggior parte dei veicoli della California fosse stata elettrica entro il 2017, stimiamo che i suoi conducenti avrebbero risparmiato circa 25 miliardi di dollari quell'anno in costi di carburante, in base ai prezzi medi dell'elettricità e della benzina.

Oltre al risparmio di carburante, alcuni analisti di mercato si aspettano che le auto elettriche siano più economiche rispetto ai veicoli convenzionali entro il 2026, un altro potenziale vantaggio economico.

Mentre è difficile prevedere i futuri prezzi per benzina, elettricità e veicoli, riteniamo che sia probabile che l'uso diffuso di veicoli elettrici ridurrebbe i costi complessivi di trasporto in California e altrove. Questi risparmi sono ancora maggiori se si tiene conto dei benefici ambientali, in particolare delle basse emissioni di carbonio.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation di F. Todd Davidson, Dave Tuttle, Joshua D. Rhodes e Kazunori Nagasawa. Leggi l'articolo originale qui.