Optimising fast charging of electric vehicles by smart charging technologies in areas with limited grid capacity

Abstract

Tilrettelegging av hurtigladeteknologi bidrar til Norges mål om at alle biler skal være utslippsfrie innen 2025 og vil være avgjørende for elektrifiseringen av transportsektoren. I dag eier Circle K et betydelig antall hurtigladere på landsbasis, og planlegger en firedobling av dette antallet innen 2021. Av den grunn vil dette utfordre kapasiteten til kraftnettet. Hensikten med oppgaven er å evaluere alternative smarte ladesystemer på Circkle K stasjoner i henhold til å unngå kostnader relatert til utvidelse av nettet og effektariffer.

Denne oppgaven tar for seg tre ulike ladesystemer, nettlading, smart effektfordeling og mikrogrid, på to Circle K stasjoner: Smestad, Oslo og Sekkelsten, Indre Østfold. Nettlading forsyner stasjonen gjennom utvidelse av nettet. Smart effektfordeling baseres kun på distribusjon av effekt på ladere, mens mikrogrid inkluderer et stasjonært batteri oppladet av solceller og ledig effekt fra nettet. Begge smart systemene har til hensikt å senke effektariffene og blitt analysert i henhold til tekniske og økonomiske parametre, videre sammenlignet med konvensjonell nettlading. Dessuten har det ideelle antall hurtigladere blitt definert for å identifisere den optimale bedriftsmodellen for Circle K.

En rød tråd gjennom prosjektet demonstrerer en debatt mellom lønnsomheten av nettlading kontra mikrogrid. Smart effektfordeling resulterte i hovedsak som den minst gunstige løsningen. En felles påvirkningsfaktor er bilintensiteten, i tillegg varierer resultatene i mikrogrid stort med batterikapasiteten. En lav bilintensitet sørger for en mindre lønnsom ladestasjon men et bra ladetilbud, mens høyere batterikapasitet er en dominerende kostnadsfaktor. En optimal løsning basert på kundeservice og finansiell gjennomførbarhet er diskutert på bakgrunn av simuleringenes resultater.

Begge lokasjoner er imidlertid best egnet til ulike løsninger. For Smestad ble løsningen nettlading med seks ladere, inkludert en opsjonell smart effektfordeling for å unngå høye effekt tariffer. Denne løsningen har et eksepsjonellt ladetilbud og pålitelighet, i tillegg minimale finansielle kostnader. I det andre tilfellet, ble løsningen installering av mikrogrid med to ladere foretrukket på Sekkelsten i henhold til kombinasjonen av en god ladeopplevelse, redusert strømregning og rask installering. Disse to løsningene vil fremme Circle K sine fremtidsplaner om å være en del av utviklingen til smarte energisystemer. Dessuten, kombinasjonen av høyere effektariffer og lavere kostnader relatert til stasjonære batterier forbedrer lønnsomheten av mikrogrid installering for ladeoperatører, som Circle K.

Avslutningsvis kan andre distribuerte energiressurser og energilagringssystemer som støtter en mikrogrid-løsning være interessante å undersøke nærmere. Videre pilotering av nye teknologier og løsninger kan forbedre kunnskap rundt smarte elbil ladesystemer og bidra til gunstige ladestasjoner. En forbedring av litium-ion batterier og reduksjon av investeringer kan lede til mer bærekraftige mikrogrid og samtidig ta del i EUs mål om integrering av smarte energystemer.

Adaption of fast charging technologies contributes to reach Norway’s goal of zero emission vehicles by 2025 and will be crucial in order to encourage the electrification of the transport sector. Today, Circle K owns a substantial amount of fast charging stations nationwide and intends to quadruple the amount by 2021, consequently challenging the grid infrastructure. The purpose of this thesis is to evaluate the optimisation of alternative smart charging systems at potential energy stations to sustain a positive charging experience and avoid costs related to grid extension and power tariffs.

This thesis examines three different charging structures, Grid Charging (GC), Simple Smart Charging (SSC) and Microgrid Enabled Smart Charging (MESC), at two Circle K stations: Smestad, Oslo, and Sekkelsten, Indre Østfold. GC supplies the station through grid extension. The presented SSC system focuses only on load management, while MESC includes a stationary battery charged by photovoltaic panels and supplemented power supply from the central grid. Both smart energy systems aim to lower the cost of demand charge tariffs. The scenarios are analysed considering technical and economic parameters, and compared to the standard GC simulation in order to determine the ideal number of chargers in the interest of identifying the optimal business model at each Circle K station.

A common thread throughout the project demonstrates a debate between the profitability of Grid Charging and Microgrid Enabled Smart Charging. The remaining scenario, Simple Smart Charging, generally results as the least favourable option. All alternatives were considerably affected by the daily traffic flow, while an additional influence derived from the battery capacity in the MESC simulation. A lower car intensity appears to be less lucrative but more customer friendly, and higher battery capacities dominate the annual costs. Eventually, an optimal solution considering an ideal charging service and excellent financial stability appears controversial.

Moreover, both locations support different charging strategies. The solution for Smestad would be a GC scenario with six chargers and an optional regulation of SSC to avoid high power tariffs. This solution offers an excellent customer experience and reliability by minimising financial costs. On the other hand, an installation of MESC with two chargers is favourable at Sekkelsten due to its exceptional combination between good customer service, reduction of the electricity bill and fast implementation. These two options will support Circle K's futuristic plan to be part of the smart energy system movement. Additionally, the combination of higher power tariffs and lower battery costs will gradually improve the profitability of installing microgrids for charging operators, such as Circle K.

Ultimately, additional investigations of other distributed energy resources and energy storage systems supporting a microgrid solution can be interesting. Further piloting of new technologies and solutions can improve knowledge about smart EV charging systems and lead to beneficial fast charging stations. An improvement of lithium-ion battery technology and decrease of investments might lead to more sustainable microgrids and conform to EU's goals regarding smart energy system.