Energy System Modeling: Investigating a decoupled approach to capital cost of energy storage and Vehicle-to-Grid in the European energy system

Abstract

Energisystemer over hele verden er i et skifte mot mer bærekraftige måter å produsere energi på, drevet frem av de utfordringene med klimaendringer. Variable fornybare energikilder som vind- og solkraft har kommet fram som noen av de ledende energiproduksjonsteknologiene for et mer bærekraftig energisystem. Den naturlige variasjonen til vind- og solkraft endrer hvordan energisystemet fungerer, og nye kilder til energifleksibilitet er nødvendig for å balansere systemet. Flere tilgjengelige energilagringsteknologier kan i dag tilby den nødvendige fleksibiliteten, men spørsmålet om hvor stor lagringskapasitet og hvilke teknologier som vil fremtre som de mest økonomisk gunstige er ennå ikke besvart. Samtidig elektrifiseres mange sektorer, og det trengs mer elektrisk energi på tvers av energisystemer. En av de elektrifiserende sektorene er transportsektoren, med en økende popularitet for teknologier som batterielektriske kjøretøy. I denne oppgaven brukes energisystemmodellering til å analysere to ting, effekten kostnadsstrukturen til energilagring har på energisystemet i energisystemmodellering, og funksjonaliteten til Vehicle-to-Grid (V2G) i energisystemmodellering. To modeller er utviklet ved bruk av GENeSYS-MOD og er utviklinger fra en tidligere utviklet modell av det europeiske energisystemet. Den første modellen, kalt Capex-modellen, endrer kostnadsstrukturen for energilagringsteknologier i modellen fra en LCOS-struktur til en CapEx-struktur. CapEx-strukturen deler kapitalkostnaden i to , kostnaden av energikapasitetsutvidelse og kostnaden av kraftkapasitetsutvidelse, i tillegg til å inkludere en variabel kostnad og en fast årlig kostnad. Sensitiviteter av ulike parametere er analysert for å gi innsikt i den nye modellen, og for å analysere robustheten til energilagringsteknologiene i modellen. Den andre modellen, kalt V2G-modellen, endrer måten elbiler bruker strøm fra nettet på i modellen, og implementerer en V2G-funksjon. I V2G-modellen er det en batterilagringsenhet mellom nettet og elbilene. Den nye V2G-funksjonen lar elbilene lades ut til nettet i tillegg til normal ladding og kjøring, med en V2G-ladekabelen kostnad på 22 €/kW. Den tidligere modellen som oppgaven tar utgangspunkt i, har ikke batteripakke mellom nettet og elbilene, noe som betyr at bilene bruker strøm fra nettet mens de kjører. Ulike ladescenarier og sensitiviteter på V2G-integrasjonsraten er analysert for V2G modellen.

Resultatene av Capex-modellen viser at CapEx-kostnadsstrukturen gir en mer konservativ investering i energikapasitet og kraftkapasitet i energilagringsteknologiene. Den konservative investeringen i Capex-modellen kan betraktes som mer realistisk enn investeringen sett i modellen med LCOS-strukturen, og en mer realistisk bruk av energilagrene kan bli sett i resultatene.

Resultatene av V2G-modellen viser en økt investering i elbiler på tvers av alle ladescenarier, mens investeringer i energilagring reduseres sammenlignet med Capex-modellen. Den nye fleksibiliteten introdusert til elbilene gjennom batteripakken og V2G-funksjonen reduserer behovet for fleksibiliteten som batterilagring tilbyr. Investeringen i elbiler faller og investeringene i energilagring øker med økende V2G-integrasjonsrate. Dette indikerer at modellen foretrekker å investere i litium-ion-batterier for kortsiktig energilagring fremfor å investere i V2G-ladekablene med en kostnad på 22 €/kW. Bruksmønsteret av de elektriske kjøretøyene er viser et urealistisk mønster i den nye modellen, og forverres ved høyere V2G-integrasjonsrater. Scenarioresultatene viser imidlertid at et strengere ladescenario gir de mest realistiske resultatene. For fremtidig arbeid vil implementering av lademønster og kjøremønster framstå som viktig for å sikre realistiske resultater ved bruk av metoden for V2G implementering som brukt i denne studien.

Totalt sett viser Capex-modellen fordelene med modellering med en CapEx-struktur, og en metode for hvordan det kan implementeres. V2G-modellen gir innsikt i hvordan V2G kan modelleres, og legger grunnlaget for videre energisystemmodellering med V2G. CapEx-modellen er mer eller mindre en modell klar for bruk, mens V2G-modellen krever videre arbeid, spesielt innen å begrense lademønsteret og kjøremønsteret til de V2G-deltakende bilene.

Energy systems across the world are rapidly shifting towards more sustainable ways of energy production, propelled by the urgent challenges of climate change. Variable renewable energy sources such as wind and solar power have emerged as some of the leading energy production technologies for a more sustainable energy system. The natural variability of wind and solar power is changing how the energy system works, and new sources of energy flexibility are needed to balance the system. Several energy storage technologies available today can provide the needed flexibility, but the question of how much storage capacity and which technologies will emerge as the most economically feasible is still to be answered. At the same time, many sectors are electrifying, and more electric energy is needed across energy systems. One of the electrifying sectors, is the transportation sector, with technologies such as battery electric vehicles gaining popularity. In this thesis energy system modeling is used to analyze two things, the effect the cost structure of energy storage has on the energy system in energy system modeling, and the functionality of Vehicle-to-Grid (V2G) in energy system modeling. Two models have been developed using GENeSYS-MOD and are derived from a previously developed model of the European energy system. The first model, named the Capex model, changes the cost structure of energy storage technologies in the model from an LCOS structure to a decoupled CapEx structure. The decoupled CapEx approach assigns a capital cost to both energy capacity expansion and power capacity expansion of the energy storage technologies as well as a variable cost and a fixed yearly cost. Sensitivities in different parameters are analyzed to give insight into the new model in general and into the robustness of the energy storage technologies in the model. The second model, named the V2G model, changes the way electric cars use electricity from the grid and implements a V2G function. In the V2G model, there is a battery storage unit between the grid and the electric cars. The new V2G function allows the electric cars to discharge to the grid as well as normal charging and driving, but the V2G charging cable comes at a cost of 22 €/kW. The previous model does not have a battery pack between the grid and the electric cars, meaning the cars use electricity from the grid as it is driving. Different charging scenarios and sensitivities on the V2G integration rate are studied to analyze the modeling approach.

The results of the Capex model show that the decoupled CapEx cost structure gives a more conservative investment in energy capacity and power capacity in energy storage technologies. The conservative investment in the Capex model can be thought of as more realistic than the investment seen in the model with the LCOS approach as the dispatch of the storage technologies reminisces better with what is expected in reality.

The results of the V2G model show an increased investment in electric cars across all charging scenarios while energy storage investment decreases when compared to the Capex model. The flexibility introduced to the electric cars through the battery pack and the V2G function decreases the need for the day-to-day flexibility that utility-scale battery storage provides. The investment in electric cars drops and investment in energy storage increases with an increasing V2G integration rate. This indicates that the model prefers to invest in utility-scale lithium-ion batteries for short-term energy storage rather than investing in the V2G charging cables at a cost of 22 €/kW. The dispatch of the electric vehicles is to some degree flawed within the new model, and only worsens at higher V2G integration rates. However, the scenario results show that a stricter charging scenario provides the most realistic results. For future work, the implementation of charging patterns and driving patterns are integral for securing realistic results when applying the method for V2G used in this study.

Overall the Capex model shows the benefits of modeling with a decoupled CapEx approach, and a method of how to apply it. The V2G model has given insights into how V2G can be modeled, and lays the groundwork for further research in V2G modeling. The CapEx model is more or less a model ready for application, while the V2G model requires further work especially within restricting the charging patterns and driving patterns of the V2G participating cars.