Analyzing the impact of increased electric vehicle penetration on cost and grid burden with bidirectional charging and solar energy production

Abstract

Den norske regjering har satt et mål om at alle nye privatbiler solgt etter 2025 skal være null-utslipp. Dette vil føre til en stor økning i antallet elbiler og med det en økning i energibehovet til transportsektoren. Denne oppgaven undersøker hvordan forskjellige nettmodeller, toveis-lading med V2G, solenergiproduksjon, og plassering av strømmåler påvirker totale kostnader og nettbelastning for en boligblokk med 117 leiligheter og en elbilandel på 70%. Økningen i andelen elbiler gjør at smart og kontrollert lading får økende relevans. Det blir da viktig å besvare hvordan incentivere kontrollert lading for å unngå dyre oppgraderinger av nettet. Det Pyomo-baserte modelleringsverktøyet BUTLER er tilpasset for å optimalisere den operasjonelle fasen av en boligblokk med toveis elbillading. Modellen har komplett informasjon om fremtiden og optimerer for 2018, med måledata fra leiligheter på Risvollan og elbilladesesjoner fra 82 elbiler. En månedlig effekttariff fører til en nedgang i lasttopp 39% lavere enn med ukontrollert lading. Lasttoppøkningen blir neglisjerbar sammenlignet med lasttoppen uten elbiler, og fjerner dermed behovet for nettoppgraderinger. På den andre siden, med kun prisstyrt kontrollert elbillading fører til en økning i lasttoppen med opp til 44% sammenlignet med ukontrollert lading. Mengden med energi utladet fra elbilene var generelt lav, men skjedde samtidig med morgen- og ettermiddags-lasttoppen. Den høyeste inntjeningen oppnådd per kWt utladet for elbilene er 0.69 NOK, som reduserer de totale kostnadene med 0.45%. Mengden energi utladet per elbil var under hva som er antatt å forårsake mer enn neglisjerbar kapasitetsreduksjon for elbilbatteriene. Å benytte elbilens toveislading økte effektiviteten av solenergiproduksjonen og økte eget forbruk fra 72% til 82% årlig. Å ha en separat energimåler for leilighetene og garasjen med effekttariff førte til en flat elbilladeprofil, men førte til en økning i lasttoppene. Elbillading og leilighetsforbruk bør sees på i sammenheng for å begrense nettbelastningen.

The Norwegian government has set a target for all new personal vehicles sold in Norway to be zero-emission from 2025. This will lead to a significant increase in the number of electric vehicles. When the electrical car fleet expands, the energy demand of the transport sector and energy demand overall increases. This thesis answers how different grid tariff models, bidirectional charging with V2G, solar energy production, and energy meter locations impact the total cost and grid burden for an apartment block in Risvollan with 117 apartments and 70% EV penetration. The increase in EVs leads to smart and controlled charging rapidly emerging as a relevant topic. The question then arises about incentivizing controlled charging to avoid costly grid reinforcements. In the thesis, the Pyomo-based modeling tool BUTLER is adjusted to optimize the operational stage of the apartment block with bidirectional charging. The model has complete information on the future, optimizing for 2018, with measurement data for the apartment electricity load from Risvollan and EV charging session information for 82 EVs across Norway. A peak per monthly penalty tariff model leads to a decrease in maximum peak load 39% lower than uncontrolled charging. The peak load burden is negligible compared to having no EVs, thereby removing the need for grid capacity reinforcements due to higher EV penetration. On the other hand, solely having energy pricing tariffs leads to an increase in the maximum peak of up to 44% compared to uncontrolled charging. The amount of energy discharged by the EVs was generally low, but it occurred at the morning and afternoon peaks, thereby cutting costs and grid burden. The maximum income per kWh discharged from the EV achieved in a case is 0.69 NOK, reducing the total costs by 0.45%. The amount discharged on average per EV was far below what is considered to cause more than negligible capacity reduction on the EV batteries. Using the EVs as energy storage with bidirectional charging further increases the effectiveness of the solar panels, increasing the yearly self-consumption to 82%, from 72% without bidirectional charging. Having a separated energy meter for the apartments and the garage with peak per month tariffs leads to a flat charging profile over the day due to the flexibility of the EV charging, but when aggregated with the apartment electricity load, it leads to an overall increase in grid burden. This suggests that looking at EV charging load and apartment electricity load together can decrease the grid burden.