O transporte é a maior fonte de emissões de gases de efeito estufa nos Estados Unidos, respondendo por cerca de um terço de todas as emissões. Poderíamos reduzir rapidamente essas emissões com veículos eletrificados, mas há apenas um problema:atualmente não geramos energia suficiente.
“Se todo o transporte for elétrico, estamos efetivamente dobrando a demanda”, disse Matthias Preindl, especialista em EV da Columbia Engineering. "E a grade não é construída para suportar isso."

Apesar de algum investimento e expansão desde a década de 1950, a rede dos EUA tem uma frota de geradores em sua maioria envelhecida e cargas de transmissão maximizadas devido a linhas congestionadas. Para piorar a situação, eventos climáticos extremos, como ondas de calor e incêndios florestais, derreteram repetidamente os cabos de energia.

Os EUA teriam que investir US$ 125 bilhões até 2030 apenas para acompanhar as crescentes demandas de energia dos veículos elétricos, de acordo com um estudo de 2020. Mas e se os próprios EVs pudessem fazer parte da solução, adicionando energia à rede? A Columbia News conversou com Preindl, professor de engenharia elétrica, e Daniel Bienstock, professor de física aplicada e matemática aplicada, bem como engenharia industrial e pesquisa operacional.

Tecnologia de veículo à rede (V2G)

Até 2030, cerca de 145 milhões de carros elétricos, ônibus, caminhões e vans estarão nas estradas. Tipo de. Em média, os motoristas estacionam seus veículos 95% do tempo. Com cerca de US$ 5 bilhões em dinheiro federal recentemente alocado para construir uma rede nacional de estações de carregamento de VEs ao longo de rodovias interestaduais, todos esses EVs ociosos poderiam ser colocados em funcionamento por meio da tecnologia Vehicle-to-Grid (V2G) – uma ideia que especialistas dizem que poderia transformar o rede elétrica já sobrecarregada.

A tecnologia V2G envolve o uso de carregadores bidirecionais para transportar energia não utilizada das baterias de um EV para a rede inteligente. À medida que um VE é carregado, a eletricidade CA (corrente alternada) da rede é convertida em CC (corrente contínua) das baterias - que é então usada para operar o veículo. Um carregador bidirecional pode converter DC em AC e transferi-lo para a rede das células de íons de lítio do EV. Ele também pode controlar simultaneamente a quantidade de energia que entra ou sai da bateria.

“Potencialmente, os EVs podem se tornar a maior instalação de armazenamento de energia distribuída implantada”, disse Preindl. "Juntos, eles poderiam fornecer mais energia elétrica do que todas as usinas convencionais juntas."

A eletricidade extra que a tecnologia V2G fornece à rede pode abastecer residências e empresas em estados como a Califórnia, que dependem fortemente de energias renováveis ​​para acesso à eletricidade 24 horas por dia, 7 dias por semana. Muitas vezes, os esforços de energia verde se concentraram principalmente no uso de grandes parques eólicos ou solares localizados em áreas remotas. Essas fazendas exigem linhas de transmissão novas e caras para fornecer eletricidade a áreas com altas demandas de energia.

E a energia eólica e solar pode experimentar grande variabilidade em tempo real, disse Bienstock, que também é especialista em dinâmica de rede elétrica na Columbia Engineering.

“Hoje, sem grande penetração renovável, a variabilidade é abordada em tempo real usando geração convencional”, disse ele. "Grandes oscilações em tempo real nos fluxos de energia podem ser desafiadoras e exigem uma configuração adequada de geração rápida e recursos de transmissão adequados." A atualização de equipamentos nessa medida não é pouca coisa, o que significa que a variabilidade devido às energias renováveis ​​​​continuará a ser uma preocupação. "V2G, juntamente com geração mais totalmente distribuída, é uma das soluções mais viáveis ​​para o futuro", disse Bienstock.

Carros com V2G

Até agora, apenas quatro carros elétricos disponíveis comercialmente são compatíveis com V2G – Nissan e-NV200, Nissan LEAF, Mitsubishi Outlander PHEV e Mitsubishi Eclipse Cross PHEV. Este ano, Volkswagen, Ford e General Motors também estão lançando gradualmente EVs compatíveis com carregamento bidirecional. Especialistas do setor projetam que o mercado V2G crescerá 48% até 2027.

Mas construir energia bidirecional no sistema é mais do que um jogo de números; obstáculos técnicos também impedem a adoção generalizada do V2G. Por exemplo, o uso rotineiro do V2G para recarregar e descarregar as baterias de íons de lítio dos EVs pode reduzir sua vida útil.

O V2G reduz a vida útil da bateria

“Do ponto de vista da rede, é mais útil quando muitos EVs estão conectados por longos períodos e quando usam potências de carregamento baixas a médias”, disse Preindl. "Isso também é melhor para o EV. Do ponto de vista técnico, há muitas coisas que o V2G pode fazer para minimizar a degradação da bateria."

Além do risco de as baterias de íons de lítio serem danificadas, os designs convencionais de carregadores bidirecionais ou V2G também são caros. Existem dois tipos de carregadores V2G:onboard e offboard. A maioria dos carros usa carregadores a bordo unidirecionais. Os poucos carregadores V2G que chegaram ao mercado só entraram em operação nos últimos meses; esses projetos iniciais são normalmente não integrados, montados em uma parede e também carecem de padronização, enquanto a indústria alcança a tecnologia.

Mas os pesquisadores estão melhorando em projetar carregadores de bordo V2G econômicos. O laboratório de Preindl está desenvolvendo sistemas que podem atingir 99% de eficiência por apenas um centavo por quilowatt. "Isso é duas a cinco vezes mais barato, com perdas de energia duas a cinco vezes menores, do que os projetos atuais", disse ele.

A possibilidade de V2G

Enquanto as montadoras estão tentando escalar a tecnologia V2G, ainda há um longo caminho a percorrer antes que ela possa ajudar na descarbonização da rede. No mês passado, cerca de 15 concessionárias em 14 estados anunciaram que lançarão programas piloto de ônibus escolar elétrico V2G, de acordo com o World Resources Institute.

Mas, apesar das pequenas iniciativas das empresas de serviços públicos em 2021 que provaram a eficácia da tecnologia V2G na redução de emissões, especialistas em políticas dizem que são necessários mais investimentos para tornar a tecnologia acessível.

“As concessionárias precisam não apenas atualizar a rede elétrica em termos de novas linhas de transmissão e transformadores físicos, mas também investir em tecnologia de rede inteligente para avaliar em que momentos a eletricidade precisa ser descarregada ou absorvida”, disse Steven Cohen, especialista em ciência ambiental. e política na Escola de Relações Internacionais e Públicas da Columbia. "O obstáculo político que a tecnologia V2G está enfrentando é basicamente a falta de dinheiro."

"O principal requisito seria um esquema de financiamento no qual o governo federal pudesse financiar o desembolso inicial", continuou ele. "Então, os contribuintes locais pagam pela operação e manutenção assim que a tecnologia estiver instalada. Minha previsão:o Estado de Nova York e a Califórnia serão os primeiros a investir."