Smart laddning av elfordon (Elfordon i smarta elnät, del 3)

skrivet av Martin Borgqvist (RISE)
Idag skriver jag om smart laddning av elfordon. Hittills har vi gett en översikt av utmaningar i elnätet vid integration av mycket el från förnybar variabel generering (sol och vind). Dagens nyhetsbrev tittar lite närmare på den roll som elfordon kan spela i det smarta elnätet.
Men först en kommentar från min sida angående ett inslag om lagring av solel i husbatterier på Vetenskapsradion SR den 1 mars i år [12], inslaget grundar sig på en artikel i Nature Energy [13]. I inslaget och i den beskrivande texten om inslaget så kan man få intrycket att kombinationen solel och batterier ger ökad energianvändning för hushållet. Detta på grund av att batterierna ”läcker energi” (förluster vid laddning och urladdning avses, min anm.). Ökad elanvändning kan leda till ökade utsläpp (CO2) på vissa platser, beroende på hur elmixen ser ut där. I själva verket är det så här, vilket också beskrivs i artikeln som inslaget baseras på [13]: Om hushållet endast har ett batteri men inga solceller så ökar elanvändningen med 8-14 % per år pga ladd-/urladdningsförluster i batteriet. Men om hushållet dessutom har solceller som laddar batteriet så minskar den totala elanvändningen per år. Minskningen av elanvändning pga av solceller är mycket större än ökad elanvändning pga batteriets förluster.
Smart laddning av elfordon
Man skulle kunna dela in smart laddning av elfordon lite grovt i följande koncept: styrd laddning, vehicle to home (V2H) och vehicle to grid (V2G). Styrd laddning, som ibland kallas för grid to vehicle (G2V), innebär att laddeffekten samt tidpunkt för laddning kan påverkas eller kontrolleras av en extern aktör. V2H och V2G innebär även att elfordonets batteri kan leverera ut el till en fastighet eller till nätet.
Styrd laddning kan sänka effektbehovet i samhället vid en stor andel elfordon
Elbilar laddas oftast ”hemma”, dvs. där de står parkerade över natten eller längre stunder [14]. Detta gör att det finns en viss flexibilitet i hur snabbt de då behöver laddas och när under tiden de står stilla som laddning behöver ske. Viktigast är ju att bilen är tillräckligt laddad när användaren behöver den. Förutom vissa oförutsedda scenarier, t.ex. att användaren plötsligt måste köra elbilen, så kan man tänka sig att det i normalfallet finns ett antal timmars marginal för elbilen att hinna bli uppladdad på. Detta innebär att det finns möjlighet att kontrollera och schemalägga laddeffekten. Poängen är att inte för många elfordon laddar samtidigt i samma område (del av lokalnätet), alternativt inte laddar samtidigt som totalt effektbehov är högt i det aktuella området (lokalnätet), dvs. elbilen fungerar som en styrbar last.
Samordningsrådet för smarta elnät har räknat ut att om hälften av alla personbilar i Sverige ersätts med elbilar på sikt, så ökar effektbehovet med upp till 2 000 MW om laddningen inte styrs. Om laddningen styrs så ökar effektbehovet med upp till 1 000 MW istället [3].
V2H – när elbilen hjälper hushållet den tillhör
Konceptet V2H innebär dels att laddningen kan styras, men också att elbilens batteri kan leverera effekt till hushållet. På detta sätt kan elbilen fungera som ett reservsaggregat till hushållet, samt ingå i styrning av hela hushållets last. Elbilens batteri kan även fungera som ett energilager för egengenererad el, t.ex. solel om huset har en sådan anläggning. Utvecklingen av V2H har drivits bland annat av problem i elförsörjningen som uppstått pga naturkatastrofer som tsunamin i Japan 2011 och orkanen Sandy i USA 2012. Nissan och Mitsubishi arbetar idag med V2H-system för privatkunder [10].
Ett nyligen avslutat exjobb har med hjälp av simuleringar undersökt V2H för ett antal elbilsscenarier i ett lokalnät i Danderyd med 120 elkunder [10]. Resultatet visar att nyttan med V2H är störst vid riktigt stora andelar elbilar (80 % av bilarna). Det går att hitta scenarier där både nätägaren och elbilsägaren tjänar ekonomiskt på V2H, t.ex. nätägaren står för halva kostnaden för laddinfrastruktur samt ersätter batterislitage. Det handlar om ett överskott på ett par hundra kr per elbil och år för både nätägare och elbilsägare. En stor osäkerhet i kalkylen är det ökade batterislitaget som orsakas av att elbilen överför effekt till hushållet. En viktig aspekt är även att regelverket som styr vad nätägare får göra, i dagsläget inte är anpassat för V2H [10].
V2G – när många elbilar levererar tjänster till elnätet
V2G innebär att elbilar kan överföra effekt från sina batterier till elnätet. För att elbilar på detta sätt skall kunna hjälpa elnätet på olika sätt så behöver ett större antal elbilar aggregera ihop sig så att den totala effekten blir tillräckligt stor. Denna modell för att aggregera ett antal distribuerade kraftkällor kallas för Virtual Power Plant (VPP). Genom VPP-modellen skulle många elbilar tillsammans kunna agera på elmarknaden, t.ex. genom att erbjuda frekvensreglering eller reservkraft. Vilken nytta som kan levereras till elnätet beror bl.a. på var elbilarna med V2G-kapacitet befinner sig. För att avhjälpa mer lokala problem krävs att elbilarna finns inom ett visst geografiskt område. Dock kräver detta koncept en ny aktör, en aggregator, som har kontakten med elbilar och som erbjuder deras gemensamma kapacitet till elmarknaden. Aggregatorer är något som diskuterats ganska länge i detta sammanhang [11]. Även när det gäller andra koncept inom området smarta nät, t.ex. efterfrågeflexibilitet, så är aggregatorer aktuella. Artikeln [11] ger en översikt av V2G, inklusive olika arkitekturer för att koppla in elbilar i elsystemet.
Egna kommentarer
Än så länge är antalet elbilar ganska få, och därför är behoven av smart laddning inte stora för tillfället. Däremot så räknar aktörer på elmarknaden (Ei, energibolag etc.) med elfordon i sina rapporter och scenarier för det framtida elnätet.
Smart laddning av elfordon handlar mycket om att undvika investeringar i elnät på platser där detta är svagt, t.ex. i lokalnät. Det kan bli aktuellt på flera platser, när vi får fler elfordon inom samma geografiska område och där detta sammanfaller med lokalnät som är svagare.
Att tillämpa V2H eller V2G blir en slags avvägning mellan investeringskostnad i nät och kostnad för batterislitage. Personligen tror jag att det kommer att dröja ett tag innan V2H och V2G blir aktuellt i större skala, av det skälet att jag inte tror att det är så prioriterat hos elbilstillverkarna. Det innebär trots allt ett extra slitage på batteriet, och det verkar mer rimligt att i nuläget satsa på att få upp räckvidden på fordonen och få ner kostnaden på batteripack.
Att styra laddningen för att hantera effekttoppar är en annan sak och kommer säkert att tillämpas mer och mer när elfordonen blir tillräckligt många.
Källor
[1] ENERGY CHARTS. Frauenhofer ISE. Hemsida. Länk.
[2] EU Energy in figures – statistical pocketbook 2016. Länk.
[3] Åtgärder för ökad efterfrågeflexibilitet i det svenska elsystemet. Energimarknadsinspektionen, R2016:15. December, 2016. Länk.
[4] PM Nilsson: Skarp varning för fossila företag. Ledare i Dagens industri. 7 Februari, 2017. Länk.
[5] Expect the Unexpected – The Disruptive Power of Low-carbon Technology. Grantham Institute, Imperial College London. Februari, 2017. Länk.
[6] Det våras för solen. SVT Dokument utifrån. Dokumentär, SVT Play. Tillgänglig till 1 mars 2017. Länk.
[7] Energirelaterad fordonsforskning 2016. Vätgas från el ur ett kraftnätsperspektiv. Presentation av Lennart Söder Professor Elektriska Energisystem, KTH Länk.
[8] Jesper Marklund. Potential för storskalig anslutning av solel i landsbygdsnät. Examensarbete. Uppsala Universitet. 2015. Länk.
[9] Svenska Kraftnät. Hemsida. Åtkomst 2017-03-02. Länk.
[10] Sara Persson, Ellinor Forsström. Nätteknisk och affärsmässig utvärdering av Vehicle-to-Home. Examensarbete. Lunds Universitet. 2017.
[11] Mwasilu, F, et al. Electric vehicles and smart grid interaction: A review on vehicle to grid and renewable energy sources integration. Dongguk University-Seoul. Renewable and Sustainable Energy Reviews 34 (2014) 501–516.
[12] Bakslag för självförsörjande solenergihus. Sveriges Radio. Inslag i Vetenskapsradion. 1 Mars, 2017. Länk.
[13] Fares, R. L., & Webber, M. E. (2017). The impacts of storing solar energy in the home to reduce reliance on the utility. Nature Energy, 2, 17001. Länk.
[14] Figenbaum. E., Kolbenstvedt, M., Elvebakk, B., 2014. Electric vehicles – environmental, economic and practical aspects, TØI report 1329/2014. Oslo, Norge. Länk.