4.3 Vehicle-to-grid
4.3.3 V2G idag
Tekniken som V2G kräver finns redan på vissa håll i världen. Sedan 2014 har de japanska biltillverkarna med sin standard CHAdeMO haft funktionaliteten som krävs för V2G-system. Bilar som laddar via CHAdeMO har möjligheten att användas för V2G redan idag om de ansluts till en V2G-laddare. I Europa är det få bilmärken som använder sig av CHAdeMO, endast två, Nissan och Mitsubishi, övriga bilmärken använder den europeiska standarden CCS och Typ 2. Den europeiska standarden fungerar inte med V2G av sig självt utan behöver implementera ISO 15118 för att göra V2G till en teknisk möjlighet. (Powercircle, 2020) Det har redan hunnit göras flera försök på V2G-system runtom i världen. Japan som ligger långt fram i denna utveckling gjorde mellan 2010 - 2013 ett experiment för att demonstrera tekniken med V2G. På den tiden var batterierna små jämfört med idag med en energilagring på 16 kWh och laddare med en effekt på 3 kW. Systemet bestod av fem Mitsubishi iMiev med tidigare nämnda energilagring, solceller på 20 kW och ett stationärt energilager bestående av använda elbilsbatterier med 80 kWh. Systemet var endast i drift vardagar 13 - 16 och
överförde mellan 30 - 50 kWh, anläggningens effektbehov kunde kapas med 12,7 % i snitt. Under 2016 blev Danmark först i världen med ett kommersiellt V2G-system med sitt så kallade Parkerprojekt. Detta system bestod av tio elskåpsbilar som anslöts till varsin V2G- laddare när de inte var i drift. I snitt var de uppkopplade 100 timmar per vecka och bil. Under de cirka två åren som projektet hölls i gång återfördes totalt 130 000 kWh till elnätet. Varje bil genererade i snitt 20 000 kronor i intäkter per år.
Ett V2G-projekt som pågått i Sverige är Örebrostäders projekt. I det projektet har två
fastigheter försetts med en laddningsbox som möjliggör laddning i båda riktningar. Testerna visar att ett effektuttag på cirka 10 kW är möjligt från en Nissan Leaf under en fyra timmars period. (Nyteknik, 2020)
4.4
Vehicle-to-home
Elbilar kan även anslutas till bostäder för att ge dessa energi vid behov. Detta fungerar på samma sätt som V2G med att bilen ansluts till en laddare som både kan förse el till elbilen och ta emot el från elbilen. Detta är användbart vid strömavbrott för att bostaden ska fungera som normalt även då. Strömavbrott är inte ofta förekommande i Västerås och därför kommer inte V2H vara särskilt användbar av denna orsak. Det som däremot kan göra V2H till en vital del av bostadens energibehov är om det utnyttjas när elpriserna och effekttopparna är som högst. På detta sätt kan elräkningarna sänkas och effekttopparna reduceras. I stället för att bostaden förses med energi från elnätet hela tiden oavsett elpriser och effekttoppar, kan V2H användas. Då laddas bilens batteri full medan elpriserna och elnätets belastning är som lägst och används för att förse bostaden med energi när elpriserna och elnätets belastning är som högst. (IoTEvolution, 2016)
Det har gjorts en del projekt inom V2H, exempelvis ”Leaf to home” som var ett japanskt projekt som använde sig av bilmodellen Nissan Leafs batterikapacitet för att överföra elektricitet till hushåll. V2H-systemet bestod av en Nissan Leaf med ett batteripack med ett energiinnehåll på 24 kWh, en laddare som kan förse och ta emot elektricitet och ett hushåll. Elbilen kunde förse hushållet med tillräckligt med energi för ungefär två dagar. Följande parametrar användes i projektet:
När Nissan Leaf laddas sker det med följande parametrar: Tabell 4 Nissan Leaf laddning
Ingångsspänning Enfas, AC 200 V (±15%), 50/60 Hz (±5%)
Ingångsström AC 0 - 36 A
Utgångsspänning Max DC 450 V
Toppeffekt 6 kW
Omvandlingsverkningsgrad 90% eller mer (vid nominell effekt)
Effektfaktor 99% eller mer (vid nominell effekt)
När Nissan Leaf ger ifrån sig elektricitet sker det med följande parametrar: Tabell 5 Nissan Leaf ger ifrån sig
Ingångsspänning Max DC 450 V
Ingångsström DC 0 – 30 A
Enfas, tre trådsystem (AC 100 V x tvåfas)
Utgångsspänning AC 100 V (±6%), 50/60 Hz
AC 200 V (±6%), 50/60 Hz (Max ±2%)
Utgångsström AC 0 – 30 A
Toppeffekt 6 kW (Enfas, AC 100 V x 3 kW x tvåfas)
Omvandlingsverkningsgrad 90% eller mer (vid nominell effekt) (Nissan, 2012)
4.5
V2G - simulering
Simuleringen görs med flera av MathWorks olika program. För att kunna göra den här typen av simulering krävs tillgång till Matlab, Simulink, Simscape och Simscape Electrical.
Det kommer göras två simuleringar, den första simuleringen kommer göras utan ett V2G- system, och den andra simuleringen kommer göras med ett V2G-system för att kunna jämföra och se inverkan av ett V2G-system.
Simuleringen består av tre energikällor, solceller, vindkraft och diselgenerator,
sammankopplat med ett trefasigt elnät med spänningen 25 kV. Elnätet transformeras ner till 600 V med en transformator och elnätet är sedan sammankopplat med en last bestående av både bostäder och industri. Mellan transformatorn och lasten finns möjligheten att koppla in ett V2G-system, det är det som kommer skilja de två simuleringarna från varandra.
Solcellernas effekt avgörs av tre parametrar, arean, verkningsgraden och irradiansen. Utöver detta är denna simulering skapad på ett verklighetstroget sätt och därför är solcellernas effekt formerad efter den normala distribution för solceller med noll effekt på natten som under förmiddagen ökar för att vara som högst mitt på dagen och för att sedan på kvällen avta tills effekten blir noll igen. Det är även inlagt en delvis skuggning på solcellerna mitt på dagen som påverkar solcellernas effekt.
Vindkraftens effekt påverkas av vindprofilen, nominell effekt, nominell vindhastighet och maximal vindhastighet. Det är inlagt att vindhastigheten under en kort stund kommer överstiga det maximala värdet för vindkraftverket och kommer därför att kopplas bort från elnätet medan vindhastigheten är för hög.
Dieselgeneratorns effekt är beroende på hur det övriga systemet är formerat, den balanserar den konsumerade effekten och den producerade effekten. Skulle en att de förnybara
energikällorna tas bort skulle diselgeneratorn behöva generera mer och skulle en av de förnybara energikällorna i stället generera mer skulle dieselgeneratorns produktion reduceras.
Lasten består av en bostadsdel och en industridel. Industridelen utgörs av en asynkronmotor för att representera den induktiva belastning en industri har på elnätet. Bostadsdelen följer en konsumtionsprofil med given effektfaktor.
Följande parametrar är inställda i båda simuleringar: Tabell 6 Bostadslast Bostadslast Nominell effekt 10 MW Effektfaktor 0,95 Tabell 7 Solceller Solceller Verkningsgrad 10% Area 80 000 m2 Tabell 8 Vindkraft Vindkraft Nominell effekt 4,5 MW Nominell vindhastighet 13,5 m/s Maximal vindhastighet 15 m/s
Med bostadslasten inställd på tidigare nämnda värde fås följande diagram över lastens aktiva- och reaktiva effekt.
Vid den andra simuleringen införs V2G-systemet med följande parametrar inställda. Tabell 9 V2G V2G 4 MW Märkeffekt 40 kW Nominell kapacitet 85 kWh Verkningsgrad 90 % Antal profil 1 35 st Antal profil 2 25 st Antal profil 3 10 st Antal profil 4 20 st Antal profil 5 10 st
Följande diagram visar de fem olika användarprofilernas laddningsmönster under dygnet. De fem användarprofilerna utgörs av:
1. Användare som åker till jobbet och har möjligheten att ladda bilen på jobbet. 2. Användare som åker till jobbet och inte har möjligheten att ladda bilen på jobbet.
3. Användare som åker längre sträcka till jobbet och har möjligheten att ladda bilen på jobbet. 4. Användare som stannar hemma.
5. Användare som jobbar nattskift.
Läggs laddningsmönstret för respektive användarprofil ihop där antalet bilar också tas i beaktning fås detta diagram över antalet bilar som är nätanslutna under dygnet.
Figur 7 Antalet nätanslutna bilar under dygnet Det som kan avläsas av detta diagram är följande:
Fram till 3.45 är det ingen bil som laddas, därefter kommer tio från användarprofil 5 som slutat nattskiftet och ansluter sina bilar. Vid 7.45 på morgonen ansluts ytterligare 45 bilar från användarprofil 1 och 3 efter att de kommit fram till jobbet där de har
laddningsmöjligheter. Vid 15.30 slutar både användarprofil 1 och 3 jobbet och därmed försvinner det 45 bilar från elnätet. Användarprofil 1, 2 och 3 åker hem, 1 och 2 har kortare väg hem och ansluter vid 17 med sina 60 bilar, en timme därefter kommer användarprofil 3 också hem och ansluter sina bilar. Vid 19.05 ska användarprofil 5 jobba nattskift igen och därmed försvinner tio bilar. Över natten är det 70 bilar som laddas från användarprofil 1, 2 och 3.
Klockslagen är uppskattat på ett ungefär genom att dela dygnets 24 timmar på 9 eftersom diagrammets x-axel nästan når till 9, och sedan multiplicera med den ungefärliga positionen på x-axeln.
4.6
V2G - beräkning
Effekten från V2G bestäms från tre parametrar, kablarnas strömkapacitet, lagrade energin i elbilen dividerat med tiden och den maximala effekten för elbilens elektronik. Den parameter som har lägst nivån avgör effektuttaget från V2G. Denna beräkning utgår ifrån att den lägsta effekten av dessa parametrar är den lagrade energin. Därför görs enbart beräkningar på det. Beräkningen av den lagrade energin dividerat med tiden görs med hjälp av följande formel:
𝑃𝑉2𝐺=
(𝐸𝑏𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑖−𝐿𝜂𝑘ö𝑟𝑑
𝑒𝑙𝑏𝑖𝑙)𝜂𝑜𝑚𝑣𝑎𝑛𝑑𝑙𝑖𝑛𝑔
𝑡 (Kempton & Tomic, 2005)
Beräkningen är gjord för två olika elbilar, en med ett stort batteri och den andra med ett litet batteri. Bilmodellerna som det beräknas på är Tesla Model 3 och Volkswagen e-up!. Tesla Model 3 har ett batteripack på 82 kWh och en verkningsgrad på 0,7 mil/kWh. Volkswagen e- up! har ett batteripack på 36,8 kWh och en verkningsgrad på 0,85 mil/kWh.
Tabell 10 Beräkningsdata V2G
Symbol Värde Förklaring
𝐿𝑘ö𝑟𝑑 3 mil/dag Snittsträckan en svensk
personbil kör per dag
𝜂𝑜𝑚𝑣𝑎𝑛𝑑𝑙𝑖𝑛𝑔 95 % Växelriktarens
verkningsgrad
𝑡 4 timmar Tiden som elbilen matar el
tillbaka till elnätet
𝐸𝑏𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑖 82 & 36,8 kWh Batteripackets
energiinnehåll
𝜂𝑒𝑙𝑏𝑖𝑙 0,7 & 0,85 mil/kWh Elbilens verkningsgrad
(Trafikanalys, 2021) (Solcellskollen, 2021) (Mestmotor, 2020) (EVSpecifications, u.å.) (Carwow, 2021) 𝑃𝑀𝑜𝑑𝑒𝑙 3= (82 −0,73 ) 0,95 4 = 18,5 𝑘𝑊 𝑃𝑒−𝑢𝑝! = (36,8 −0,853 ) 0,95 4 = 7,9 𝑘𝑊
4.7
Laddningsberäkning
Under detta avsnitt görs det beräkningar på högsta möjliga strömmen för laddarna. Det görs beräkningar över tre olika laddningseffekter på 3,7 kW, 11 kW och 22 kW för att se skillnaden dem emellan. Sedan görs det beräkningar på vilka laddare och antalet för dessa som jag finner lämpligt för parkeringen.
4.7.1
Transformator
Vid Navets parkering finns det två parallellkopplade trefastransformatorer med följande märkdata:
Märkeffekt 1 600 kVA
Primär märkspänning 11 kV
Sekundär märkspänning 0,42 kV
På följande sätt ser lågspänningssidan ut efter transformeringen:
Figur 8 Lågspänningssida
Sekundära märkströmmen beräknas: 𝐼2 =
𝑆𝑛 𝑈2𝑛∙ √3
=1 600 000
420 ∙ √3 = 2 199 𝐴
Den sekundära märkspänningen är så pass hög att den inte begränsar laddningseffekten. Det som kommer att begränsa effekten är markmätarskåpet eller kablarna. I det här arbetet kommer vi utgå från att markmätarskåpet har en säkring på 900 A och då kan vi få en maximal ström på 300 A per fas om vi väljer kopparledning med tvärsnittet 300 mm2.
(J. Tonde, Mälarenergi, personlig kommunikation, 2021-05-19) Ström per fas: 𝐼 = 300 𝐴
4.7.2
Normalladdning 16 A enfas
Enfasladdning med 16 A strömstyrka ger följande effekt:
𝑃𝑙𝑎𝑑𝑑𝑎𝑟𝑒 = 𝑈 ∙ 𝐼 = 230 ∙ 16 = 3 680 𝑊 = 3,7 𝑘𝑊
Tabell 11 Beräkningsdata 3,7 kW
Symbol Värde Förklaring
𝐸𝑏𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑖 48 kWh Snittet på ett batteripacks
energiinnehåll
𝑃𝑙𝑎𝑑𝑑𝑎𝑟𝑒 3,7 kW Laddarens effekt
𝑡𝑎𝑟𝑏𝑒𝑡𝑠𝑑𝑎𝑔 8 h Arbetsdagens tidslängd
𝐹ö𝑟𝑏𝑟𝑢𝑘𝑛𝑖𝑛𝑔 2 kWh/mil Snittförbrukningen för en
elbil per mil
𝑃𝑢𝑡𝑛𝑦𝑡𝑡𝑗𝑎 207 kW Effekten som finns att
utnyttja för laddarna (OmEV, 2020) (Vattenfall, u.å.)
Teoretiska tiden för ett slutladdat batteri att laddas fullt:
𝑡 = 𝐸𝑏𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑖
𝑃𝑙𝑎𝑑𝑑𝑎𝑟𝑒
= 48
3,7= 13 ℎ
Laddningen som fås under en arbetsdag:
𝐸𝑎𝑟𝑏𝑒𝑡𝑠𝑑𝑎𝑔 = 𝑃𝑙𝑎𝑑𝑑𝑎𝑟𝑒∙ 𝑡𝑎𝑟𝑏𝑒𝑡𝑠𝑑𝑎𝑔 = 3 680 ∙ 8 = 29,4 𝑘𝑊ℎ
Procentuell laddning av batteriets totala energiinnehåll: 𝑃𝑟𝑜𝑐𝑒𝑛𝑡𝑢𝑒𝑙𝑙 𝑙𝑎𝑑𝑑𝑛𝑖𝑛𝑔 =𝐸𝑎𝑟𝑏𝑒𝑡𝑠𝑑𝑎𝑔
𝐸𝑏𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑖
=29,4
48 = 61,3 %
Antalet laddade mil per bil under en arbetsdag: 𝐿𝑎𝑑𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑚𝑖𝑙 = 𝐸𝑎𝑟𝑏𝑒𝑡𝑠𝑑𝑎𝑔
𝐹ö𝑟𝑏𝑟𝑢𝑘𝑛𝑖𝑛𝑔= 29,4
2 = 14,7 𝑚𝑖𝑙
Max antalet laddningsstationer innan lastbalansering krävs: 𝐴𝑛𝑡𝑎𝑙𝑒𝑡 𝑙𝑎𝑑𝑑𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑒𝑟 =𝑃𝑢𝑡𝑛𝑦𝑡𝑡𝑗𝑎
𝑃𝑙𝑎𝑑𝑑𝑎𝑟𝑒
=207
4.7.3
Semiladdning 16 A trefas
Trefasladdning med 16 A strömstyrka ger följande effekt:
𝑃𝑙𝑎𝑑𝑑𝑎𝑟𝑒 = 𝑈ℎ∙ 𝐼𝑓∙ √3 = 400 ∙ 16 ∙ √3 = 11 085 𝑊 = 11,1 𝑘𝑊
Tabell 12 Beräkningsdata 11,1 kW
Symbol Värde Förklaring
𝐸𝑏𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑖 48 kWh Snittet på ett batteripacks
energiinnehåll
𝑃𝑙𝑎𝑑𝑑𝑎𝑟𝑒 11,1 kW Laddarens effekt
𝑡𝑎𝑟𝑏𝑒𝑡𝑠𝑑𝑎𝑔 8 h Arbetsdagens tidslängd
𝐹ö𝑟𝑏𝑟𝑢𝑘𝑛𝑖𝑛𝑔 2 kWh/mil Snittförbrukningen för en
elbil per mil
𝑃𝑢𝑡𝑛𝑦𝑡𝑡𝑗𝑎 207 kW Effekten som finns att
utnyttja för laddarna (OmEV, 2020) (Vattenfall, u.å.)
Teoretiska tiden för ett slutladdat batteri att laddas fullt:
𝑡 = 𝐸𝑏𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑖
𝑃𝑙𝑎𝑑𝑑𝑎𝑟𝑒
=48 000
11 085= 4,3 ℎ
Laddningen som fås under en arbetsdag:
𝐸𝑎𝑟𝑏𝑒𝑡𝑠𝑑𝑎𝑔 = 𝑃𝑙𝑎𝑑𝑑𝑎𝑟𝑒∙ 𝑡𝑎𝑟𝑏𝑒𝑡𝑠𝑑𝑎𝑔 = 11 085 ∙ 8 = 88,7 𝑘𝑊ℎ
Procentuell laddning av batteriets energiinnehåll: 𝑃𝑟𝑜𝑐𝑒𝑛𝑡𝑢𝑒𝑙𝑙 𝑙𝑎𝑑𝑑𝑛𝑖𝑛𝑔 =𝐸𝑎𝑟𝑏𝑒𝑡𝑠𝑑𝑎𝑔
𝐸𝑏𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑖
=88,7
48 = 184,8 %
Antalet laddade mil per bil under en arbetsdag: 𝐿𝑎𝑑𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑚𝑖𝑙 = 𝐸𝑎𝑟𝑏𝑒𝑡𝑠𝑑𝑎𝑔
𝐹ö𝑟𝑏𝑟𝑢𝑘𝑛𝑖𝑛𝑔= 88,7
2 = 44,3 𝑚𝑖𝑙
Antalet laddningsstationer innan lastbalansering behövs:
4.7.4
Semiladdning 32 A trefas
Trefasladdning med 32 A strömstyrka ger följande effekt:
𝑃𝑙𝑎𝑑𝑑𝑎𝑟𝑒 = 𝑈ℎ∙ 𝐼𝑓∙ √3 = 400 ∙ 32 ∙ √3 = 22 170 𝑊 = 22,2 𝑘𝑊
Tabell 13 Beräkningsdata 22,2 kW
Symbol Värde Förklaring
𝐸𝑏𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑖 48 kWh Snittet på ett batteripacks
energiinnehåll
𝑃𝑙𝑎𝑑𝑑𝑎𝑟𝑒 22,2 kW Laddarens effekt
𝑡𝑎𝑟𝑏𝑒𝑡𝑠𝑑𝑎𝑔 8 h Arbetsdagens tidslängd
𝐹ö𝑟𝑏𝑟𝑢𝑘𝑛𝑖𝑛𝑔 2 kWh/mil Snittförbrukningen för en
elbil per mil
𝑃𝑢𝑡𝑛𝑦𝑡𝑡𝑗𝑎 207 kW Effekten som finns att
utnyttja för laddarna (OmEV, 2020) (Vattenfall, u.å.)
Teoretiska tiden för ett slutladdat batteri att laddas fullt:
𝑡 = 𝐸𝑏𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑖
𝑃𝑙𝑎𝑑𝑑𝑎𝑟𝑒
=48 000
22 170= 2,2 ℎ
Laddningen som fås under en arbetsdag:
𝐸𝑎𝑟𝑏𝑒𝑡𝑠𝑑𝑎𝑔 = 𝑃𝑙𝑎𝑑𝑑𝑎𝑟𝑒∙ 𝑡𝑎𝑟𝑏𝑒𝑡𝑠𝑑𝑎𝑔 = 22 170 ∙ 8 = 177,4 𝑘𝑊ℎ
Procentuell laddning av batteriets totala energiinnehåll: 𝑃𝑟𝑜𝑐𝑒𝑛𝑡𝑢𝑒𝑙𝑙 𝑙𝑎𝑑𝑑𝑛𝑖𝑛𝑔 =𝐸𝑎𝑟𝑏𝑒𝑡𝑠𝑑𝑎𝑔
𝐸𝑏𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑖
=177,4
48 = 369,5 %
Antalet laddade mil per bil under en arbetsdag: 𝐿𝑎𝑑𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑚𝑖𝑙 = 𝐸𝑎𝑟𝑏𝑒𝑡𝑠𝑑𝑎𝑔
𝐹ö𝑟𝑏𝑟𝑢𝑘𝑛𝑖𝑛𝑔= 177,4
2 = 88,7 𝑚𝑖𝑙
Antalet laddningsstationer innan lastbalansering behövs: 𝐴𝑛𝑡𝑎𝑙𝑒𝑡 𝑙𝑎𝑑𝑑𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑒𝑟 =𝑃𝑢𝑡𝑛𝑦𝑡𝑡𝑗𝑎
𝑃𝑙𝑎𝑑𝑑𝑎𝑟𝑒
= 207
4.8
Mälarenergis laddningsinfrastruktur
4.8.1
Behov i dagsläget
Det mest lämpliga sättet för Mälarenergi att utforma laddningen på parkeringen, sett till dagsläget, är att installera två olika sorters laddare. Mälarenergis personal har behov av olika sorts laddare beroende på arbetsuppgifter. Somliga arbetar på kontoret hela dagarna och somliga arbetar på olika platser och behöver kunna förflytta sig i arbetet.
De som enbart arbetar på kontoret behöver endast förflytta sig till och från arbetsplatsen med sin egen bil. För dessa personer räcker det med en laddningseffekt på 3,7 kW. Om elbilen laddas under hela arbetsdagen med en effekt på 3,7 kW, laddas batteriet med 29,4 kWh, vilket motsvarar en laddad sträcka på 14,7 mil. En sträcka som är mer än tillräcklig för att de flesta ska kunna ta sig hem efter arbetet.
För de personer som behöver förflytta sig under arbetsdagen krävs det högre effekt på laddaren än 3,7 kW. Exempelvis kanske varvar genom att arbeta ute hos kund, arbeta på kontoret och sedan ute hos kund igen, etcetera. Av denna anledning skulle det vara lämpligt med en laddareffekt på 11,1 kW för dessa personer. En sådan laddningseffekt möjliggör en laddning med 88,7 kWh och en laddad sträcka på 44,3 mil under en arbetsdag. På enbart en timmes tid fås en laddning på 11,1 kWh och en sträcka på 5,5 mil.
Vad gäller antalet laddare för respektive effekt är att det finns ett större behov av laddare för 3,7 kW än vad det gör för 11,1 kW. Det är fler personer som enbart arbetar på kontoret än vad det är personer som förflyttar sig under dagen. Önskedrömmen på lång sikt är att varje parkeringsplats ska kunna förses med laddare men det skulle vara en extremt kostsam process och är onödig för dagens behov. Därför är min rekommendation att Mälarenergi installerar 30 laddare på 3,7 kW och 6 laddare på 11,1 kW.