Optimisation of cost and emissions of an EV parking lot within a Zero Emission Neighbourhood by utilising demand response programs, PV and an external battery

Abstract

I de kommende årene må verden drastisk redusere utslipp av drivhusgasser for å møte menneskeskapte klimaendringer, og internasjonale avtaler. Det er store utslipp knyttet til energisektoren, og av den grunn vil kutt her være helt avgjørende. I denne overgangen skal fornybare energikilder erstatte ikke-fornybare energikilder. Gjennom et litteratursøk var det et klart behov for mer fleksible sluttbrukere. Litteratursøket presenterte også en utvikling hvor elektriske biler spiller en sentral rolle i energisektoren ettersom de vil stå for en økt etterspørsel etter energi. På en annen side kan elektriske biler også tilby fleksibilitet. Gjennom litteratursøket ble det også stadfestet at solceller øker raskt, og vil være en naturlig del av overgangen til fornybar energi. Basert på disse funnene hadde denne masteroppgaven som mål å bruke ulike nettariffer for å maksimere profitt for brukerne av et nullutslippsnabolag. For å gjøre dette ble det implementert toveis kjøretøy-til-nett, solceller og et batteri. I tillegg hadde modellen et mål om å minimere utslipp av CO2. Fleksibiliteten til system ble også utforsket.

Den foreslåtte modellen var basert på tidligere arbeid gjort på området. For å utvikle modellen ble det brukt stokastisk programmering til å lage en to-stegs modell. Det første steget i modellen var beslutningen som ble tatt i spotpris-markedet, mens det neste steget var i driftstimen. Modellen utviklet ti forskjellige senarioer med en stokastisk ankomsttid, avgangstid og start state of charge (soc) for hver enkelt elektrisk bil. I denne forskningen var avgangs socen modellert med to forskjellige minimumskrav, en for når bilen forlater og en for når den står parkert. Dette var for å ivareta den ønskede avgangs socen for brukeren. Socen var også modellert med en fleksibilitet slik at modellen kunne nå de aktiverte reservene fra systemoperatøren.

Oppgaven fant ut at en implementering av solceller, batteri og minimering av CO2- utslipp i et system med toveis ladning ga en daglig økning av resultatet med 24.57 €/dag sammenliknet med et system med bare toveis ladning. Nettariffen som var å foretrekke var tidsavhengig energiledd som sparte systemet for 1.15€/dag sammenliknet med en konstant tariff. Med en avgangs soc på 70% er systemet nært å ha netto null utslipp av CO2. Systemet viste også en evne til å være fleksiblet, men dagens balansemarkeder passer ikke til slike systemer. Potensialet for at et nullutslippsnabolag kan være fleksibelt er stor, og derfor trengs det bedre egnede markeder.

In the near future, the world must rapidly reduce the emission of greenhouse gases to cope with the human-made climate crisis, and to meet international agreements. As the energy sector is a significant emitter, reduction in this field will be crucial. In this transition, renewable, non-dispatchable energy sources will replace non-renewable and dispatchable energy sources. Through a literature review, it was a clear need for more flexible end-users. In addition, the literature research presented a development where the electric vehicle will play an essential role in the energy sector as they will contribute to an increase in the need for energy. However, electric vehicles can also provide flexibility to the system. Another result from the literature review was that the installation of solar power is increasing rapidly, and could play an important role in the current energy transition. Based on these findings, this master thesis had a goal of using demand response programs to maximise profit for users within a Zero Emission Neighbourhood. In order to do this, bidirectional vehicle-to-grid, solar panels and external batteries were used. In addition, the model had a goal of minimising CO2-emissions, and investigate the flexibility within the system.

The proposed model was based on previous work done in the field. Two-step stochastic programming was used to develop the model, where the first step was the decisions made in the day-ahead market, while the second step was during the time of operation. The model made ten different scenarios with a stochastic arrival time, departure time and initial state of charge (soc) for each electric vehicle. In this research, the soc departure was modelled with two different minimum limits, one for when the car departs and one for when it is present in the parking lot. This was to ensure the desired departure soc for the user. The departure soc was also made flexible, so the activated reserves by the system operator could be met.

The research found that implementing solar panels, an external battery and minimisation of CO2-emissions to a system with bidirectional charging would increase the daily result by 24.57 €/day compared to a system with only bidirectional charging. The preferred demand response program was time-of-use, and it saved 1.15 €/day compared to the fixed-rate tariff. There is a need for better designed demand response programs where it is easier to react and adjust to the given signals. With soc departure at 70%, the system is close to net zero emission. Furthermore, the system showed an ability to be flexible, but today’s balancing market is not favouring systems like the proposed system. The potential for a Zero Emission Neighbourhood to be flexible is significant, and therefore it needs better suited markets.