Batterier på hurtigladestasjoner – Effektivt og lønnsomt?

Transportsektoren er under en pågående elektrifisering og elbilsalget er stadig økende. For å hjelpe integrasjonen av elbiler kreves en utbredt infrastruktur av hurtigladere. Elbilene får stadig større batterier og høyere ladeeffekt. Den høye effekten i kombinasjon med uforutsigbarheten ved tidspunktene elbiler lader på, gjør last fra en hurtigladestasjon til en potensiell utfordring for strømnettet.

• Gjesteblogg av sommerforskere: Eirik Ivarsøy og Eirik Haugen

Grunnet begrenset kapasitet i kraftsystemet kan denne lasten føre til uønskede konsekvenser, slik som flaskehalser eller redusert leveringskvalitet. Integrasjon av stasjonære batterier på hurtigladestasjonen er et eksempel på en alternativ teknologi som i noen tilfeller kan bidra til å løse kapasitetsproblemene i strømnettet uten at man må ty til nettforsterkning. Med dagens priser er det ikke lønnsomt å installere batterisystemer ved hurtigladestasjoner for å kutte effekttopper, men om nedgangen i batteriprisen fortsetter, vil det kunne bli lønnsomt i fremtiden.

Sommerforskere på saken – modellerer framtidige lastprofiler

For å se nærmere på effekten av elektrifiseringen av transportsektoren, har vi i sommer jobbet med å modellere potensielle framtidige lastprofiler for hurtigladestasjoner for elbil. Vi jobbet på to ulike prosjekter, men det vi gjorde i sommer hadde mye til felles.

Kva er verdien av å spare på sol- og vindenergien lagra i batteriet?

Eirik Ivarsøy jobbet på prosjektet FuChar (Grid and Charging Infrastructure of the Future), et nyoppstartet prosjekt som skal minimere kostnader, både investeringer og drift, og analysere trafikkmønster og predikere framtidig effektprofiler for å optimere ladeinfrastrukturen. Her kan flaskehalser i distribusjonsnettet fort bli et problem. Da er IntegER prosjektet, som Eirik Haugen jobbet på, relevant å trekke inn. IntegER ser på muliggjøringen av batteriutnyttelse i distribusjonsnettet.

Hvordan modellere lasten til en hurtigladerstasjon?

Elbilenes ankomst til hurtigladestasjonen er uforutsigbar, og den vil dermed variere både fra sted til sted, og fra dag til dag. I modellen ble en sannsynlighetsfordeling for elbilenes ankomst til hurtigladestasjonen brukt. Denne sannsynlighetsfordelingen er basert på målinger av elbilers ankomst til eksisterende hurtigladestasjoner. For å modellere uforutsigbarheten i problemet ble statiske modell tatt i bruk, og dette innebærer at elbilenes ankomst er antatt å være uavhengig av hverandre (Poisson-prosess).

Videre ble elbilparken representert med de ti mest vanlige elbilene i Norge. Disse bilene har ulik størrelse på batteriet, ladeeffekt og ladeprofil. Med ladeprofil menes det hvordan lasten fra en enkelt elbil ser ut. Noen elbiler lader med tilnærmet konstant effekt. Dette gjelder ofte elbiler som lader med lavere maksimal ladeeffekt. Elbiler som har en høy maksimal ladeeffekt, har ofte en ladekurve der den kun i en begrenset periode lader på maksimal effekt. Dette er for å beskytte levetiden til batteriet.

Hvordan unngå korrosjonsdannelse og farlige berøringsspenninger ved landstrømsanlegg

Lastprofilen for hurtigladestasjonen er den aggregerte lastprofilen fra hver enkelt elbil. Det er hurtigladestasjon sin lastprofil som er viktigst, både med hensyn til innvirkning på nettet og dimensjonering av batterisystem ved ladestasjonen.

Figuren under viser ladeprofilen for en hurtigladestasjon en tilfeldig dag. Lastkurven varierer veldig i løpet av dagen og en kan se at lasttoppene er mye større enn gjennomsnittslasten. Dette gjør bruken av batterier til å kutte effekttoppen aktuelt.

Ikke nok med lastprofil for en enkelt dag

Grunnet uforutsigbarheten i lastprofilen til hurtigladestasjoner er det ikke nok å se på lastprofilen for en enkelt dag. I dette tilfelle ble 1 000 dager simulert ved bruk av Monte Carlo-metoden. Resultatet for daglig maksimal effekt for hurtigladestasjonen er vist i figuren under. Boksplottet viser stor variasjon i maksimal effekt. Den maksimale ladeeffekten er viktig når batteriet skal dimensjoneres.

Med disse modellene for hvordan ladestasjoner i framtiden kan se ut, kan batterier undersøkes som et mulig alternativ til linjeutbygging. Nettselskapene kan være interessert i batteriinstallasjoner i enkelte områder for å utsette eller i beste fall unngå nye linjeutbygginger. Problemet er at nettselskapet ikke kan drifte batterier.

Private markedsaktører kan derimot investere og drifte batterier på kraftmarkedet. Det er lite utbredt å investere i slike batterisystemer, hovedsakelig fordi det er for dyrt. Men, batteriprisene synker.

Er det lønnsomt å installere batterier på hurtigladerstasjoner?

En investering i et batterisystem må kunne gi så store kostnadsbesparelser at det kan finansiere investeringen. Hva består disse kostnadsbesparelsene av? Det er todelt. Én besparelse (men også potensiell kostnad) er såkalt energiarbitrasje. Det vil si at man lader batteriet på billige tidspunkt og utlader det når strømmen er dyr. I dette tilfelle vil batteriet utlade når det er et stort ladebehov og kostnadsbesparelsen vil være at batteriet kan bidra med litt «billig» strøm når effekten er stor på ladestasjonen. Den andre besparelsen er på nettleien. Ladestasjonen er koblet på nivå som gjør at den betaler både for energi og maksimal effekt i løpet av en måned.

Anta at ladestasjonen har et installert batterisystem. Det er dimensjonert for å kutte effekttopper med 15 %, det vil si at hver gang lasten er over 85 % av sin maksimale verdi, skal det dekkes av batteriet. Det som da overføres av effekt fra nettet er 85 % av effekttoppen, og 15 % lavere enn en situasjon hvor man ikke har batteri. Det gir 15 % kutt i den maksimale effekten som trekkes fra nettet. Det reduserer også det leddet i nettleien som baserer seg på månedlig maksimal effekt (effekttariffen). Det gir ikke besparelser i energileddet fordi den samme energien må tilføres over en lengre periode, f.eks. en dag, for det finnes ikke noe produksjon på ladestasjonen. Og på grunn av tap ved lading og utlading vil den faktisk være litt større enn den ville vært uten batteri. Én dag er vist i figuren under, hvor det blå er energien fra nettet og høyden på det blå er effekten i tidspunktet. Den ville fulgt den grå grafen (lastprofilen) hele tiden dersom det ikke var et batteri stasjonert på ladestasjonen.

Tradisjonelle lastprofiler som ikke varierer noe særlig fra minutt til minutt, og sakte på timesbasis, trenger store batterier for å redusere effekttoppen. For å ha samme reduksjon i effekttopper på tradisjonelle laster sammenlignet med hurtigladestasjoner, trenges et mye større batteri for å kunne tilføre den samme mengden energi. Derfor har hurtigladestasjoner og andre laster som varierer mer enn tradisjonelle laster større potensial for å oppnå lønnsomhet ved å ta i bruk batterier.

Ny kunnskap om lastprofiler fra hurtigladestasjoner og hvordan disse påvirker nettet, kan bidra til å finne smarte løsninger ved å bruke for eksempel stasjonære batterier. Så det som ved første øyekast kan virke som nye utfordringer, kan løses ved hjelp av batterier.

Vi vil gjerne takke Kjersti Berg og Bendik Nybakk Torsæter ved SINTEF Energi for fantastisk god støtte og veiledning gjennom hele sommeren, og vi ser frem til videre samarbeid i prosjekt- og masteroppgave.