LADDINFRASTRUKTUR FÖR
ELFORDON
Undersökning av befintligt elnät i Borsökna, Eskilstuna
ANTHON CLEVERDAL
TOBIAS NYBERG
Akademin för ekonomi, samhälle och teknik
Kurs: Examensarbete Energiteknik Kurskod: ERA206
Ämne: Energiteknik Högskolepoäng: 15 hp
Program: Energiingenjörsprogrammet med
inriktning elektroteknik
Handledare: Hailong Li Examinator: Jan Skvaril
Uppdragsgivare: Eskilstuna energi och miljö Datum: 2018-06-10
E-post:
Acl14002@student.mdh.se Tng14001@student.mdh.se
ABSTRACT
Today the transports are dominated by fossil fuels and to reach one of the environmental goals set by Sweden, the transports should be independent by fossil fuels to year 2030. To make that goal feasible the transports must be fully electrified, and to reach there the grid has an important role, the power demand will be higher, and the grid must manage the new level of power output. The purpose of this thesis is to give Eskilstuna Energi och Miljö knowledge about their existing grid and how it would be affected by installing electric vehicle charger in every household. The thesis was about to investigate how the existing grid on the low voltage side of the transformer would be affected by this increase of power output level. To evaluate how much current the wired cables could manage, the materials and dimension were vital for the calculations. To calculate how the grid would be affected, the software Trimble NIS was used to collect data for the current, four simulations and scenarios for three different substations was made and by using the collected data the affect on the grid could be calculated by equations. The average traveling distance was used to compare how the
charging time would vary at the various scenarios. The result showed that if every household would install electric vehicle charger with a power output on 4,1 kW, the biggest problem were the main fuses in the household. Only 2/34 wired cables would have been overloaded, and all the three transformers would manage the new current level. With this level of output the charging time for the average traveling distance would be between 1,12 and 2,10 hours, a sensitive analysis of the traveling distance were made with 30 % increasing and decreasing. The conclusion of this thesis is with an output on 4,1 kW and the traveling distance the average charging time would be between 1,12 and 2,10 hours, and for the grid this scenario would be feasible for the future.
Keywords: Charging infrastructure, electric vehicles, power grid, charging contacts, electric vehicle charging, distribution network, charging times, transformer.
FÖRORD
Det här examensarbetet är utfört som en avslutande del av vår högskoleingenjörsutbildning inom energiteknik på Mälardalens högskola. Förhoppningen med detta arbete är att ge Eskilstuna Energi och Miljö en djupare kunskap om hur elnätet på lågspänningssidan skulle påverkas vid installation av laddkontakter till elfordon i hushållen. Tobias och Anthon har båda varit aktiva i samtliga delar av arbetet, bland annat insamling av litteratur, simuleringar och beräkningar.
Vi skulle vilja börja med att tacka vår externa handledare Erik Lingärde på Eskilstuna Energi och Miljö som varit ett tekniskt och sakkunnigt stöd.
Vi skulle även vilja tacka Hailong Li som har varit vår handledare från Mälardalens högskola som under rapportskrivandets gång bidragit med synpunkter på innehåll och struktur.
Västerås i juni 2018
SAMMANFATTNING
Transportsektorn domineras idag av fossila drivmedel som påverkar miljön negativt.
Alternativen till fossila drivmedel är el och gas i form av bio- och vätgas. För att kunna ha en fordonsfriflotta helt oberoende av fossila drivmedel 2030 som är ett av Sveriges miljömål kommer elnätet bära ett mycket stort ansvar.
Syftet med detta arbete var att ge Eskilstuna Energi och Miljö (EEM) information om hur det befintliga elnätet skulle klara högre ställda krav vid effektuttag i form av laddkontakter hos privatpersoner.
Arbetet grundar sig i en ordentlig analys av data i det befintliga elnätet och med hjälp av programmet Trimble NIS simulerades flera tänkbara scenarier med högre effektuttag,
simuleringarna gjordes med trefaseffekter, 4,1 kW, 7 kW, 11 kW och en sammanlagringseffekt på 80 % vid 7 kW. Totalt tre olika nätstationer simulerades och studerades. Efter
simuleringarna erhölls data för strömstyrka i fördelningskablarna och hushållsströmmarna. En känslighetsanalys gjordes för att få ett så nära genomsnittligt värde hur körsträckorna för medelpersonen förändras, analysen gjordes för 30 % ökning och 30 % minskning av den genomsnittliga körsträckan.
I resultaten sammanställdes de tre nätstationerna tillsammans i grafer, för att få ett genomsnittligt och tydligt resultat. Resultaten visade att vid ett ökat effektuttag på 4,1 kW skulle 17 av 111 personer överstigit sin dåvarande huvudsäkring i strömstyrka, vid de högre simulerade effektuttagen ökade antalet hushåll som överskred huvudsäkringen. I
fördelningsnätet med ett effektuttag på 4,1 kW påverkades 2 av 34 förlagda kablar negativt, dvs. de översteg maxgränsen av vad de hade klarat av. Vid effektuttag på 7 kW och
sammanlagring på 80 % vid samma effekt påverkades 6 stycken och vid 11 kW påverkades 14 stycken av de totalt 34 stycken negativt. Samtliga transformatorer skulle klarat av
strömstyrkan som skulle uppkommit vid effektuttag på 4,1 kW. Två av transformatorerna hade även klarat av effektuttag på 7 kW samt sammanlagringen på 80 % vid samma effekt, enbart en av de tre transformatorerna skulle klarat av samtliga effektuttag utan någon negativ påverkning.
För att det befintliga nätet inte ska överbelastas vid installation av kontakter för elbilar får den uttagna trefaseffekten i varje hushåll inte överskrida 4,1 kW. Eftersom effektuttaget i hushållen inte är konstanta över ett dygn skulle en typ av effektreglering kunna möjliggöra högre effekter till laddningen. På nätter är oftast förbrukningen mindre och därför finns det mer utrymme till att ladda en bil på högre effekt än 4,1 kW.
Tiden för att ladda sin bil för dagliga körsträckor varierar mellan drygt en timme till sex timmar. Sker laddningen under natten med en effekt som nätet klarar av är en omställning från fossil- till eldrivna fordon ett möjligt framtidsscenario.
Nyckelord: Laddinfrastruktur, elbilar, elnät, laddkontakter, elbilsladdning, fördelningsnät, laddningstider, transformator.
INNEHÅLL
1 INLEDNING ...1 1.1 Bakgrund... 1 1.2 Syfte ... 2 1.3 Frågeställningar ... 2 1.4 Avgränsning ... 2 2 METOD ...3 2.1 Trimble NIS 16.2 ... 3 2.1.1 Betty kurvor ... 42.2 Ekvationer och hjälpmedel ... 4
2.3 Känslighetsanalys ... 4
3 LITTERATURSTUDIE ...5
3.1 Elnät ... 5
3.2 Enfas och trefas ... 6
3.3 Transformatorn ... 6
3.4 Kabeltyper ... 7
3.5 Laddkontakter ... 8
3.6 Elbilar på svenska marknaden ... 9
3.7 Utredning av lämplig laddinfrastruktur för elbilar och laddhybrider i Umeå ...10
3.8 Elbilsladdning i anslutning till bostadsfastighet ...11
4 AKTUELL STUDIE ... 12
4.1 Nätstation 74T04 ...13
4.1.1 Transformatorn 74T04 sekundärström ...14
4.1.2 Hushållsströmmen ...14
4.2 Nätstation 74T37 ...15 4.2.1 Transformatorn 74T37 sekundärström ...16 4.2.2 Hushållsströmmen ...16 4.2.3 Fördelningsnätet ...16 4.3 Nätstation 74T06 ...17 4.3.1 Transformatorn 74T06 sekundärström ...18 4.3.2 Hushållsström ...18 4.3.3 Fördelningsnät ...18 4.4 Körsträcka ...19
4.5 Energiöverföring från elnät till elfordon...20
5 RESULTAT ... 22
5.1 Fördelningsnätets påverkan ...22
5.2 Påverkan av hushållens säkringsnivåer ...22
5.3 Nätstationernas påverkan ...23 5.4 Laddningstider...25 6 DISKUSSION... 26 6.1 Metod ...26 6.2 Resultat ...27 7 SLUTSATSER ... 28
8 FÖRSLAG TILL FORTSATT ARBETE... 30
REFERENSER ... 31
BILAGA 1: SIMULERINGSDATA ... 33
FIGURFÖRTECKNING
Figur 1 Laddningsbara bilar i Sverige ... 1Figur 2 Transformator (Carin Carlsson, 2018) ... 7
Figur 4 74T04 med fördelningsnät ... 13
Figur 5 Resultat maximala hushållsströmmar 74T04 ...14
Figur 6 Resultat fördelningsnät 74T04 ... 15
Figur 7 74T37 med fördelningsnät ... 15
Figur 8 Hushållsströmmar 74T37 ...16
Figur 9 Fördelningsnät 74T37 ... 17
Figur 10 74T06 med fördelningsnät ... 17
Figur 11 Hushållsströmmar 74T06 ... 18
Figur 12 Fördelningsnät 74T06 ...19
Figur 13 Resultatet av fördelningsnätets påverkan av de simulerade scenarierna... 22
Figur 14 Resultatet av hushållens säkringsnivåer vid installation av elbilskontakter. ... 23
TABELLFÖRTECKNING
Tabell 1 Huvudsäkringar för trefassystem ... 6Tabell 2 Kabeltyper ... 7
Tabell 3 Kabeldefinitioner ... 8
Tabell 4 Laddkontakter ... 8
Tabell 5 Vanliga modeller av elbilar ... 9
Tabell 6 Känslighetsanalys ... 20
Tabell 7 Energibehov elbilar ...21
Tabell 8 Resultatet av nätstationen 74T04 vid de olika simulerade scenarierna. ... 23
Tabell 9 Resultatet av nätstationen 74T37 vid de olika simulerade scenarierna. ... 24
Tabell 10 Resultaten av nätstationen 74T06 vid de olika simulerade scenarierna. ... 24
Tabell 11 Laddtider ... 25
Tabell 12 Maximala strömmar hushåll 74T04 ... 33
Tabell 13 Maximala strömmar fördelningskablar 74T04 ... 35
Tabell 14 Sekundärström 74T04 ... 36
Tabell 15 Maximala strömmar hushåll 74T37 ... 36
Tabell 16 Maximala strömmar fördelningskablar 74T37 ... 38
Tabell 17 Sekundärström 74T37 ... 39
Tabell 18 Maximala strömmar hushåll 74T06 ...41
Tabell 19 Maximala strömmar fördelningskablar 74T06 ... 42
BETECKNINGAR
Beteckning Beskrivning Enhet
U Spänning V I Ström A P Aktiv effekt W S Skenbar effekt VA E Energi Wh T Tid s Uh Huvudspänning V If Fasström A
FÖRKORTNINGAR
Förkortning BeskrivningDC Direct current, likström
AC Alternating current, växelström
Trafo Transformator
EEM Eskilstuna energi och miljö
PVC Polyvinylklorid, vanligt förekommande plast PEX Tvärbunden polyeten plastmaterial
EV Electric Vehicle, Elbil
DEFINITIONER
Definition Beskrivning
SHUCKO Klassisk stickkontakt vanligt förekommande i hushåll. Serviser Matningskabeln till huset från fördelningsnätet. Nätstation Mindre inbyggd transformatorstation, omvandlar
Definition Beskrivning
Fördelningsnät Elnät på spänningsnivå 0,4 kV exklusive serviser. Sammanlagringseffekt Den totala uttagna maxeffekten som tar hänsyn till att
elförbrukare inom samma belastningsområde inte belastar nätet maximalt samtidigt.
Transformatorns
belastningsgrad Förhållandet mellan transformatorns lasteffekt och märkeffekt. 𝐼𝑚ä𝑟𝑘,𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑡𝑜𝑟
𝑠𝑒𝑘𝑢𝑛𝑑ä𝑟𝑠𝑖𝑑𝑎
Strömmen på sekundärsidan av transformatorn vid märkeffekt.
Sekundärsida Är den sida av transformatorn där sekundärlindningen sitter, d.v.s. lågspänningssidan.
1
INLEDNING
Transporter med fossildrivna fordon är en sektor med stor miljöpåverkan. Alternativen till fossila drivmedel är idag el och gas i form av bio- eller vätgas. Sverige har tillgång till mycket el producerad från förnybara källor som vatten- och vindkraft. För att lyckas övergå till en fordonsflotta helt oberoende av fossilt bränsle år 2030 vilket är ett mål för Sverige kommer elnätet bära ett stort ansvar för denna omställning (Regeringen, 2015). Såväl företag som privatpersoner är beroende av transporter dagligen, det betyder att kvalitet och
leveranssäkerhet är två mycket viktiga parametrar. Leveranssäkerhet betyder att oavsett vilken tid på dygnet, vilken dag på året skall samma tillgång på elektrisk energi finnas för kunder.
1.1
Bakgrund
Enligt en enkätundersökning som gjordes av elsajten Elskling.se säger nio av tio att de kan tänka sig att köpa en elbil (SvD, 2017). Vid ett ökat intresse för eldrivna fordon för
privatpersoner krävs ett elnät som kan förse fordonet med önskad energi och effekt. I Sverige står inrikes transporter för cirka en tredjedel av det totala växthusgasutsläppet. Av den tredjedelen kommer drygt 90 % från vägtrafiken (Trafikverket, 2018). En elbil släpper inte ut några växthusgaser under drift förutsatt att elen är producerad från en förnybar energikälla. Power Circle är namnet på en intresseorganisation inom elkraftbranschen. Ett verktyg som organisationen har skapat är hemsidan elbilstatistik.se, där finns information om elbilar i Sverige. Under de senaste åren har antalet laddningsbara bilar i Sverige ökat (Elbilsstatisktik, 2018) och antalet visas i Figur 1.
För att ladda en elbil krävs energi, för att denna energiöverföring ska ske under en viss tidsram regleras effektuttaget. Det som begränsar effektuttaget i ett hushåll är
huvudsäkringen, fördelningsnät från transformator och transformatorn i sig.
Nätstationer och elnät är i många områden flera årtionden gamla och dimensionerade för hur förbrukningen såg ut då. Vid den tiden var elbilar inte lika vanligt som nu, detta leder till att elnätet eventuellt kan vara bristfällande vad gäller ett ökat effektuttag.
1.2
Syfte
Syftet med att genomföra detta examensarbete är att ge Eskilstuna Strängnäs Energi och Miljö kunskap om hur deras befintliga elnät i bostadsområdet Borsökna, Eskilstuna påverkas vid installation av laddkontakter för elfordon i privata hushåll.
Nätstationerna och fördelningsnätet i undersökningsområdet undersöks med avsikt på förändrat effektuttag från hushållen. Ett ökat effektuttag kan överbelasta nätstationerna och nätet.
1.3
Frågeställningar
• Hur kommer fördelningsnätet i Borsöknaområdet påverkas av installation av elbilskontakter i privata hushåll?
• Hur förhåller sig hushållens säkringsnivåer mot installation av elbilskontakter? • Hur kommer nätstationerna i Borsökna att påverkas av installation av elbilskontakter
i privata hushåll?
• Vilken effekt är rimlig att använda för att ladda en elbil i privata hushåll?
1.4
Avgränsning
Utredningen av elnätets påverkan av installation av elbilskontakter avgränsas till enbart Borsökna. Andra bostadsområden utesluts då varje område har ett eget specifikt elnät med olika förutsättningar och kan inte tillämpa resultaten för detta examensarbete.
Laddinfrastrukturen avgränsas till enbart hemmaladdare, ingen offentlig snabbladdare tas med i studiens beräkningar. Studien utesluter även laddning av tunga fordon som lastbilar och bussar.
Studien utgår från elnätets befintliga uppbyggnad, inga nya transformatorer eller elledningar studeras i beräkningar eller jämförelser.
Påverkan av eventuell överbelastning studeras endast på nätstationerna samt
fördelningsnätet i området. Högspänningsnätet tas inte i beaktning utan antas vara starkt nog för denna omställning.
Under avsnittet Elbilsladdare presenteras marknadens olika typer av kontakter. För detta arbete baseras beräkningarna på installation av type 2 kontakten.
Tidsperioden för detta arbete är begränsat till tio veckor under våren 2018.
2
METOD
Arbetet grundar sig på att analysera det befintliga elnätet i undersökningsområdet. Flera framtida scenarion modelleras som grund för beräkningar. Ett simuleringsprogram används för att ändra befintliga laster till respektive nätstation, i detta arbete utförs simuleringarna i Trimble NIS. För att få förståelse för hur påverkan av laddning av elfordon kan se ut för liknande områden utförs en mindre litteraturstudie. Vid en simulering erhålls data för strömstyrka i de förlagda kablarna och in till hushållen, med hjälp av det insamlade data går även strömstyrkan till nätstationerna att beräknas genom att summera strömmarna.
Valet av bostadsområdet Borsökna gjordes för att området har mycket enskilda villor, det finns ett befintligt elnät med historik lagrad för hushållens konsumtion av el. Hela nätet i området ägs av samma bolag vilket underlättar hantering av data.
För beräkningarna finns en osäkerhet som beror på konsumenterna i området. Människans beteende varierar från individ till individ vilket också gör att förbrukningen av elektricitet sker på samma sätt. En viss generalisering måste appliceras på studien för att kunna få fram ett resultat. Hur pass väl denna generalisering stämmer överens med verkligheten diskuteras under avsnittet diskussion.
En analys för varje nätstation i området utförs med hjälp av simuleringsprogrammet. Resultatet för varje nätstation samlas in och delas upp i tre stycken områden indelade i serviser, fördelningsnät och transformator.
2.1
Trimble NIS 16.2
Trimble NIS 16.2 är ett nätinformationssystem som används av elbolag där hantering av modellering, projektering och felsökning är tre viktiga arbetsområden. Elnätet i områden är utritade på karta där bland annat nätstationer, kundanslutningar, låg- och högspänningsnät finns med. För privatkunder anslutna till EEMs nät finns inga loggar på timbaserade
energimätningar. Den information som finns tillgänglig är årsbehovet av elektrisk energi angivet i enheten kWh. En simulering för installation av laddkontakt i hushållen utförs på så sätt att en konstant toppeffekt adderas till den befintliga hushållslasten, detta görs på grund av att arbetet grundar sig på hur elnätet ser ut idag samt att hushållens övriga förbrukning är densamma.
2.1.1
Betty kurvor
För att kunna mäta toppeffekter när inkommande ström är som maximal gör programmet om den årliga förbrukningen till en förbrukningskurva som baserar sig på en typkurva. Den typ av kurvor programmet använder sig av är Betty kurvor. Faktorer som tas med i
beräkningarna är årstid, vardag eller helg, medeltemperatur utomhus och vart i landet nätet är lokaliserat. Från en kunds årsenergibehov skapar programmet en kurva som efterliknar en konsuments beteende vad gäller elförbrukning och ger information om de maximala
strömmarna för varje timme.
2.2
Ekvationer och hjälpmedel
Följande ekvation används för att beräkna den maximala strömmen på transformatorns sekundärsida.
Ekvation 1 𝐼𝑚ä𝑟𝑘,𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑠𝑒𝑘𝑢𝑛𝑑ä𝑟𝑠𝑖𝑑𝑎
= 𝑆𝑚ä𝑟𝑘 √3∗𝑈𝑠𝑒𝑘𝑢𝑛𝑑ä𝑟
För att beräkna maximalt effektuttag i bostäderna används ekvationen nedan där cos φ antas vara 1.
Ekvation 2 𝑃 = 𝑈ℎ∗ 𝐼𝑓∗ 𝑐𝑜𝑠𝜑
(Kungliga tekniska högskolan, 2018) För att underlätta beräkningar och hantering av data användes Microsoft Excel, där skapades tabeller och funktioner. För att utföra jämförelsen om resultaten uppfyller vissa krav
användes Ekvation 3 enligt nedan.
Ekvation 3 = 𝑂𝑀(𝑙𝑜𝑔𝑖𝑠𝑘𝑡_𝑣ä𝑟𝑑𝑒; [𝑣ä𝑟𝑑𝑒_𝑜𝑚_𝑠𝑎𝑛𝑡]; [𝑣ä𝑟𝑑𝑒_𝑜𝑚_𝑓𝑎𝑙𝑠𝑘𝑡])
2.3
Känslighetsanalys
Alla människor som transporterar sig med en bil åker olika mycket från dag till dag, detta ger en variation i den dagliga körsträckan. Eftersom det är ovisst hur bilanvändningen ser ut i framtiden utförs en känslighetsanalys, både en ökning av användningen och en minskning. Resultatet är baserat på den genomsnittliga dagliga körsträckan i ett intervall mellan 30 % ökning och minskning. Känslighetsanalysen visar den totala energiförbrukningen för de olika simulerade scenarierna. Detta beräknas med följande Ekvation 4 enligt nedan:
𝐸 = 𝑆 ∗ 𝑘 ∗ 𝑥
𝐸 = 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑓ö𝑟𝑏𝑟𝑢𝑘𝑛𝑖𝑛𝑔 [𝑘𝑊ℎ] 𝑆 = 𝑆𝑘𝑎𝑙ä𝑟, 𝑠𝑡𝑒𝑔𝑓ö𝑟ä𝑛𝑑𝑟𝑖𝑛𝑔 [%] 𝑘 = 𝐾𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡 [𝑘𝑊ℎ/𝑘𝑚]
3
LITTERATURSTUDIE
För detta examensarbete sammanställdes en litteraturstudie som inkluderar begrepp, förhållande och samband för elektriska konstellationer. För att få förståelse av elnätets uppbyggnad samt dess påverkan av olika effektuttag presenteras tidigare forskning och vetenskaplig litteratur. Växelströmmens grundprinciper och dess fördel i
transmissionssystem beskrivs, även skillnaden mellan en- och trefas beskrivs sett till effektuttag. Transformatorns grundläggande uppbyggnad, funktion och syfte finns i ett underkapitel. Olika kabeltyper som förekommer i fördelningsnätet och dess egenskaper beskrivs. Tidigare och nuvarande typer av laddkontakter till elbilar behandlas även i detta kapitel.
Två tidigare examensarbeten har studerats, deras resultat och information kan användas som hjälpmedel och ligga till grund för en jämförelse med detta arbetets resultat och diskussion.
3.1
Elnät
Elmarknaden är sedan 1996 avreglerad och en fri marknad vilket innebär att konsumenter får köpa el av vilket elhandelsföretag de vill. På grund av praktiska skäl är det enbart ett elnätsföretag som kommer distribuera den el som köpts. Elnätsmarknaden är ett monopol vilket innebär att staten reglerar lagar för både konsumenter och producenter angående handeln av elektricitet. (Tekniska verken, 2017)
Sveriges elnät består idag av tre olika nätnivåer: stamnätet, regionnätet och lokalnätet. Stamnätet matas från de stora kraftverken d.v.s. kärn- och vattenkraft och består av långa kraftledningar med den högsta spänningsnivån, med en nominell spänning mellan 220 – 400kV. Kraftledningarna sträcker sig genom hela landet och transporterar stora mängder elektrisk energi. Vid bytet mellan stam- och regionnätet sker en transformering av
spänningen via en transformator. Från en spänningsnivå mellan 220 – 400kV ner till 70 – 130kV. Regionnätet transporterar sedan elektriciteten i sin tur vidare till kunder med hög förbrukning av elektricitet t.ex. industrier eller vidare till lokalnäten. Vid övergången mellan region- och lokalnät transformeras spänningsnivån ner ytterligare och vid detta skifte från 70 – 130kV ner till 0,4 – 60kV. 0,4kV d.v.s. 400 V är den vanligast förekommande nominella spänningen in i hushållet. (Göteborg Energi, 2018)
3.2
Enfas och trefas
Den stora praktiska skillnaden mellan enfas och trefas är effektuttaget. Ett trefassystem innebär att vid symmetrisk last kommer den sammanlagda effekten från de tre faserna att vara konstant. Effektuttaget från enfas respektive trefas beräknas enligt följande ekvationer nedan. (Nationalencyklopedin Trefassystem, 2018)
Ekvation 5 𝑃𝑡𝑟𝑒𝑓𝑎𝑠 = √3 ∗ 𝑈ℎ∗ 𝐼𝑓∗ 𝑐𝑜𝑠𝜑 Ekvation 6 𝑃𝑒𝑛𝑓𝑎𝑠= 𝑈 ∗ 𝐼 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝜑 (Kungliga tekniska högskolan, 2018)
De allra flesta hushåll utan uppvärmning av värmepump, elvärme eller liknande form har trefassystem med huvudsäkringar på 16 A. Det innebär ett maximalt effektuttag på 11 kW. Några fler vanliga huvudsäkringar och maximalt effektuttag för trefassystem visas i tabellen nedan.
Tabell 1 Huvudsäkringar för trefassystem
Färg Säkringsstorlek Årlig elförbrukning [kWh] Maximalt effektuttag [kW] Grå 16 0 - 20 000 11 Blå 20 20 000 - 25 000 14 Gul 25 25 000 - 30 000 17 (Vattenfall välj rätt huvudsäkring, 2018)
3.3
Transformatorn
Som tidigare nämnt används i huvudsakligen växelspänning i nätet, det beror på möjligheten att kunna transformera upp och ned spänningen med hjälp av transformatorer.
Transformatorns fysikaliska egenskaper bygger på magnetism, ett fenomen som uppstår då en ström flyter genom en ledare. Då en ledare bär ström, lindad runt en järnkärna uppstår ett magnetiskt flöde genom järnet, det är detta magnetiska flöde som i sin tur inducerar en spänning över den andra lindningen över kärnan, vilket ger en generering av en ström i andra lindningen.
Grundprincipen för en transformator är enkel, en gemensam järnkärna med ett
tidsvarierande magnetiskt flöde delar vanligen två eller fler elektriska kretsar med olika lindningsvarv. Effekten är, om förluster försummas lika stor på båda sidor. Det som varierar är spänning och ström i de olika kretsarna. En enkel skiss med storheter på spänning och ström presenteras i figur 4 nedan.
Figur 2 Transformator (Carin Carlsson, 2018)
En transformator är byggd för en viss effekt, det är på grund av ekonomiska skäl inte hållbart att överdimensionera. I det fallet då transformatorn är belastad med en för hög effekt, dvs. underdimensionerad skadas komponenter vilket kan leda till kortslutning och förstörelse. (Nationalencyklopedin transformator, 2018)
3.4
Kabeltyper
I ett fördelningsnät finns olika typer av kablar, det som varierar och påverkar kabelns maximala belastningsström är ledarens material, tvärsnittsarea, isolering och om kabeln är förlagd i rör eller direkt i mark. Nedan presenteras en belastningstabell på de kablar som finns i undersökningsområdet. Tabellen baserar sitt data på Nexans
”Kabelboken-installation och elnät”. Tabell 2 Kabeltyper Tvärsnitts-area mm² Kabel förlagd i rör Ledartemp 70° (PVC-isolering) 70° (PVC-isolering) 90° (PEX-isolering) 90° (PEX-isolering) Material Koppar Aluminium Koppar Aluminium
10 52 A 40 A 61 A 47 A
70 151 A 117 A 178 A 138 A
95 179 A 138 A 211 A 164 A
150 230 A 178 A 271 A 210 A
Kablarna i fördelningsnätet har olika beteckningar beroende på vilket material och isolering de är gjorda av. FCJJ-kabel med isolering papper/olja antas ha samma egenskaper som PVC isolerade kablar.
Tabell 3 Kabeldefinitioner
Beteckning Isolering Material AKKJ PVC Aluminium FKKJ PVC Koppar EKKJ PVC Koppar N1XE PEX Aluminium FCJJ Papper/olja Koppar
3.5
Laddkontakter
För att kunna ladda en elbil krävs en laddare, antingen sker denna energiöverföring med växelström eller likström, AC/DC. Beroende på hur snabbt bilen ska laddas används olika kontakter, dessa presenteras nedan. (Laddaelbilen, 2018)
Tabell 4 Laddkontakter
Namn AC/DC Max effekt Strömgräns
SHUCKO AC 1-fas 3,7 kW 16 A
Type 1 AC 1-fas 7,4 kW 32 A
Type 2 AC 1/3-fas 16,1/43,6 kW 70 A
CHAdeMO DC 62,5 kW 125 A
CCS AC 1/3-fas+DC 200 kW 70/125 A
För att kategorisera utrustning för laddning av elfordon ytterligare används fyra olika modes. I dessa kategorier specificeras säkerhets- och kommunikationstyper. (sundholt, 2016)
För att effektuttaget för laddningen i privata hushåll enkelt skall regleras används type 2 kontakten. Med denna kontakt ges möjligheten att kunna ladda upp till nästan 44 kW beroende på bostadens inkommande matning. EU har satt denna typ av kontakt som standard vad gäller laddning i privata hushåll. (Svenskenergi, 2015)
3.6
Elbilar på svenska marknaden
Power Circle är en intresseorganisation inom elkraftbranschen. Elbilstatistik.se är ett verktyg skapat av organisationen där information om hur statusen för elbilar och laddhybrider ser ut i Sverige. De 10 vanligaste elbilarna finns med i ett resultat, dessa bilar har studerats med avsikt på deras laddningsegenskaper och finns i tabellen nedan.
Uppgifter på bilarna har hämtats från respektive biltillverkares produktblad eller från laddaelbilen.se.
Tabell 5 Vanliga modeller av elbilar
Vanligaste elbilarna Befintligt antal i
Sverige 2017 Max effekt per laddning Enfas Trefas Tesla S 3115 400V 16A 11 kW, 230V 13A 3 kW 3 kW 11 kW Nissan Leaf 2839 400V 16A 11 kW, 230V 10A 2,3 kW 2,3 kW
Renault Zoe 2056 230V 16A 3,7 kW (10A 2,3 kW) 3,7 kW 11 kW Renault Kangoo Z.E 1291 230V 16A 3,7 kW 3,7 kW
Tesla X 845 400V 16A 11kW (Auto effekt) 11 kW Nissan E-NV200 749 230V 16A 3,7 kW 3,7 kW
BMW i3 737 230V 16A 3,7 kW 3,7 kW
VW E-Golf 680 230V 16A 3,7 kW 3,7 kW
VW E-UP! 589 230V 16A, 3,7 kW 3,7 kW
3.7
Utredning av lämplig laddinfrastruktur för elbilar och
laddhybrider i Umeå
Linn Björ har i sitt examensarbete från 2013 ”Utredning av lämplig laddinfrastruktur för elbilar och laddhybrider i Umeå” skrivit om Umeås laddinfrastruktur. Ett klimatmål om en fossilfri fordonsflotta år 2030 i Sverige driver en allt mer utbyggd laddinfrastruktur för eldrivna fordon. En utredning av hur denna utbyggnad ska gå till i Umeå beskrivs i rapporten där aspekter som bland annat vilken typ av laddning man ska använda sig av, var dessa stationer skall vara placerade, ekonomiska lösningar med betalsystem. Syftet med rapporten är att ge Umeå Energi större förståelse för hur denna infrastruktur skall utformas.
Enligt rapporten rekommenderas det att laddning med växelström skall ske med type 2 kontakten, att en elbil i genomsnitt drar cirka 0,2 kWh/km med en räckvidd på normalt 80-150 km per laddning. Författaren delar in laddningen i tre olika kategorier, normalladdning, semisnabb laddning och snabbladdning. Det som skiljer dessa kategorier är inmatad effekt till batterierna i bilarna. Enligt författaren till arbetet skall laddstationerna vara utformade på så sätt att de klarar av att leverera maximal effekt i framtiden för att minska
laddningstiderna.
För privatpersoner sker mestadels av laddningen i hemmamiljö under natten och på dagtid på parkering i anslutning till exempelvis arbetet, det bör dock finnas publika laddstationer för snabbladdning.
En utökad laddinfrastruktur för eldrivna bilar ses som en bidragande faktor till att intresset för eldrivna bilar ökar hos privatpersoner. Finns det en färdig infrastruktur minskar
3.8
Elbilsladdning i anslutning till bostadsfastighet
Anders Lundgren har i sitt examensarbete från år 2016 ”Elbilsladdning i anslutning till bostadsfastighet” undersökt hur elnätsanslutningen påverkades vid laddning av flera elbilar. Syftet med examensarbetet var att teoretiskt undersöka hur elanvändningen påverkades när en elbilsladdning anslöts till en hemmamiljö. Författaren vill även försöka klargöra
osäkerheten som finns hur elbilsladdningen i ett flerfamiljshus skulle påverka befintligt elnät med avseende på effektuttaget.
Arbetet avgränsades till privatägda el- och hybridbilar med maximalt effektuttag på 3,7 kW. Författaren skriver i arbetet att batterikapaciteten inom några år i nyproducerade bilar uppskattningsvis kommer kunna klara av en körsträcka upp till 300 km.
Enligt författaren ligger största intresset hos hemmaladdning eftersom bilar står parkerade till 95 % av dygnet, detta gör att laddning i hemmamiljö kommer bli avgörande för att kunna öka antalet elbilar.
Resultatet visade att variationen mellan effektförbrukningen vid laddning av elbilar och elförbrukningen för fastigheten var så stor att sammanlagringseffekten var mellan 21 % och 27 % av det maximala effektuttaget.
4
AKTUELL STUDIE
Arbetet startade med en introduktion tillsammans med extern handledare för att bekanta sig med programmet Trimble NIS. I det valda området Östra Borsökna fanns 5 nätstationer som matade det avgränsade området. I bilden nedan visas Östra Borsökna med fördelningsnätet utritat med röd färg.
Figur 3 Östra Borsökna, fördelningsnät och de tre undersökta nätstationerna
De behandlade scenarierna under detta arbete var att samtliga hushåll installerade en laddkontakt med tre olika effektuttag på 4,1 kW (6A), 7 kW (10A), 11 kW (16A) och ett effektuttag på 7,0 kW med en sammanlagring på 80 % (5,6 kW, 8,1 A). Effekterna är valda efter vanliga typer av säkringsnivåer i bostäder.
Eftersom arbetet var tidsbegränsat valdes tre nätstationer ut för analys. Till varje station fanns den årliga elförbrukningen lagrad för respektive ansluten kund.
Viktiga knutpunkter är markerade och numrerade enligt programmets definitioner. Mellan dessa knutpunkter finns olika typer av kablar installerade, det är dessa kablar som benämns fördelningskabel och undersöktes för eventuell överbelastning. Till varje fördelningsnät finns en transformator ansluten som även undersöktes för eventuell överbelastning.
Programmet visar den maximala strömmen för varje hushåll, samt den maximala strömmen för alla fördelningskablar i nätet. För samtliga hushåll kan den maximala strömmen in i bostaden vara 25 A, vid olika toppeffekter simulerade får denna ström inte överstiga 25 A.
För varje fördelningskabel finns en maximal belastningsström specificerad enligt tabell 2. Efter simuleringarna jämförs den beräknade maximala strömmen för respektive fall med vad kabeln klarar av.
För att analysera transformatorns belastningsgrad beräknas först transformatorns
märkström på sekundärsidan. Strömmarna ut från transformatorn på sekundärsidan adderas för de olika fallen och jämförs med transformatorns märkström. En slutsats om eventuell överbelastning kan då bestämmas för respektive fall.
För att kontrollera fördelningsnätets maximala belastningsnivå med de olika scenariornas belastningar skapades en funktion i Excel. Det är utifrån denna funktion som resultatet sammanställts. Funktionen jämför två värden med varandra och utifrån vilket av värdena som är störst visar funktionen OK eller EJ OK. Det var hushållsströmmarna,
belastningsströmmarna i fördelningsnätet och den totala sekundärströmmen som jämfördes med hjälp av Ekvation 3 i Microsoft Excel.
4.1
Nätstation 74T04
Arbetet inleddes på en nätstation med beteckning 74T04. 35 stycken kunder var anslutna och geografiskt visas nätstation med tillhörande fördelningsnät i bilden nedan. En ansluten kund hade solceller installerade vilket gav en låg årsenergiförbrukning på el för denna kund.
Figur 4 74T04 med fördelningsnät
Transformator 74T04 hade tre stycken grenar från sekundärsidan. Det är summan av de tre strömmarna som jämförs med transformatorns märkström på sekundärsidan. Utifrån tabell 13 sammanställs de totala sekundärströmmarna för varje scenario i tabell 14Tabell 14.
4.1.1
Transformatorn 74T04 sekundärström
Transformatorn 74T04 hade en märkeffekt på 500 kVA. Den maximala sekundärströmmen beräknas med hjälp av ekvation 1.
𝐼𝑚ä𝑟𝑘,𝑠𝑒𝑘𝑢𝑛𝑑ä𝑟= 500 000
√3∗400 = 723 𝐴
Den beräknade sekundärströmmen används för analys vid eventuell överbelastning för de olika scenariorna. Följande transformatorers sekundärströmar beräknas på samma sätt.
4.1.2
Hushållsströmmen
Först studerades nuvarande elförbrukning som är benämnd till Imax, bas och sedan simulerades fyra olika scenarion med högre toppeffekter. Alla 35 hushåll simulerades och jämförelser gjordes mellan dåvarande huvudsäkringsstorlek och simulerad maxström vid de olika
effektuttagen. Grafen visar antal hus på y-axeln och de olika effektuttagen på x-axeln. Grafen visar även vid de olika effektuttagen antal hushåll som över skulle överbelastat sina
huvudsäkringar.
Figur 5 Resultat maximala hushållsströmmar 74T04
4.1.3
Fördelningsnätet
Precis som hushållsströmmen benämndes dåvarande elförbrukning till Imax, bas och sedan gjordes samma simulering för de olika scenarierna. Det var totalt sju förlagda kablar i
marken och dessa visas på y-axeln och effektuttaget är längs x-axeln. Grafen visar även antal förlagda kablar som inte överskrider maxgränsen för strömstyrka och överbelastning vid de olika effektuttagen. 0 5 10 15 20 25 30 35 40
Imax, bas Imax 4,1 kW Imax 7 kW Imax 11 kW Imax 7 kW
Sammanlagring 80% An ta l h u sh åll Effektuttag
Figur 6 Resultat fördelningsnät 74T04
4.2
Nätstation 74T37
För denna station fanns 42 anslutna kunder, fyra stycken av dessa kunder hade en väldigt låg årsförbrukning av el, det fanns inga solceller installerade och fastigheterna var väldigt små i storlek, ett antagande utfördes att dessa fyra hushåll var sommarstugor och uteslöts från studiens beräkningar. I bilden över området är dessa markerade med S1, S2, S3 och S4.
Figur 7 74T37 med fördelningsnät 0 1 2 3 4 5 6 7 8
Imax, bas Imax 4,1 kW Imax 7 kW Imax 11 kW Imax 7 kW
sammanlagring 80 % An ta l förla gd a ka b lar Effektuttag
Transformator 74T37 hade sex stycken grenar ut från sekundärsidan. Det är summan av de sex strömmarna som jämförs med transformatorns märkström på sekundärsidan. Utifrån Tabell 16 sammanställs de totala sekundärströmmarna för varje scenario och presenteras i Tabell 17.
4.2.1
Transformatorn 74T37 sekundärström
Transformator 74T37 hade en märkeffekt på 500 kVA. Med hjälp av ekvation 1 beräknades den maximala sekundärströmmen.
𝐼𝑚ä𝑟𝑘,𝑠𝑒𝑘𝑢𝑛𝑑ä𝑟= 500 000
√3∗400 = 723 𝐴
4.2.2
Hushållsströmmen
Simuleringsvärdena var de samma för den här nätstationen som föregående. Antalet hus som simuleras denna gång var 38 stycken då fyra blev uteslutna då de antogs som sommarstugor. Antal hus på y-axeln och effektuttaget på x-axeln.
Figur 8 Hushållsströmmar 74T37
4.2.3
Fördelningsnätet
Samma värden användes för simuleringen även här. Totalt 14 stycken olika förlagda kablar i maken var kopplade till nätstationen. Antal förlagda kablar längs y-axeln och effektuttaget längs x-axeln. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Imax, bas Imax 4,1 kW Imax 7 kW Imax 11 kW Imax 7 kW
sammanlagring 80% An ta l h u sh åll Effektuttag
Figur 9 Fördelningsnät 74T37
4.3
Nätstation 74T06
I området för nätstation 74T06 fanns 38 stycken kunder anslutna. En kund i området hade solceller installerade.
Figur 10 74T06 med fördelningsnät 0 2 4 6 8 10 12 14 16
Imax, bas Imax 4,1 kW Imax 7 kW Imax 11 kW Imax 7 kW
sammanlagring 80% An rta l förla gd a ka b lar Effektuttag
Det tredje undersökta området matades av en transformator med beteckning 74T06. För de olika simulerade effektuttagen beräknades strömmarna på sekundärsidan och presenteras i tabell 19. Tabell 19Från transformatorns sekundärsida förgrenade sig fördelningsnätet i sex stycken grenar.
4.3.1
Transformatorn 74T06 sekundärström
Transformator 74T06 hade en märkeffekt på 800 kVA, den maximala sekundärströmmen beräknades enligt ekvation 1Ekvation 1.
𝐼𝑚ä𝑟𝑘,𝑠𝑒𝑘𝑢𝑛𝑑ä𝑟= 800 000
√3∗400 = 1156 𝐴
4.3.2
Hushållsström
Samma effektuttag användes även för denna nätstation. Antal hushåll som simulerades denna gång var 38 stycken. I den här grafen visar ”Imax, bas” stapeln att två stycken hushåll redan överbelastat sin säkringsnivå.
Figur 11 Hushållsströmmar 74T06
4.3.3
Fördelningsnät
Till denna station var det totalt 13 förlagda kablar i mark som visas på y-axeln. Simuleringen till den här stationen gjordes med samma värde på effektuttagen som föregående
simuleringar. 0 5 10 15 20 25 30 35 40
Imax, bas Imax 4,1 kW Imax 7 kW Imax 11 kW Imax 7 kW
sammanlagring 80% An ta l h u sh åll Effektuttag
Figur 12 Fördelningsnät 74T06
4.4
Körsträcka
För att få ett underlag för hur mycket energi som krävs från elnätet vid en omställning från fossildrivet fordon till ett eldrivet fordon måste vissa antaganden utföras. Baserat på den genomsnittliga körsträckan per år för en personbil år 2017 som enligt Trafikanalys var 12 110 km (trafa, 2018) blir den dagliga körsträckan 33,2 km/dag. En elbil förbrukar ca 0,2 kWh/km enligt Linn Björ skrivit i examensarbetet Utredning av lämplig laddinfrastruktur för elbilar och laddhybrider i Umeå från 2013. Det är med hjälp av dessa faktorer energibehovet för en elbil baseras och beräkningen visas nedan i tabell 5. För att få ett bredare resultat utförs en känslighetsanalys där den genomsnittliga körsträckan ökas och minskas i steg om 5 % till en ökning och minskning av totalt 30 %. För att kunna beräkna ett genomsnittligt
laddningstiden med hjälp av den genomsnittliga laddningseffekten behövde medelvärdet från dessa faktorer framställas. Medelvärdet beräknades genom att multiplicera de olika laddningseffekterna och de antal bilar för samma effekt, sedan summerades samtliga
produkter för att sedan divideras med totalt antal EVs. Den genomsnittliga laddningen i kW beräknades med hjälp av tabell 5, medelvärdet för enfasladdning blev 3,2 kW och för
trefasladdning blev medelvärdet 11 kW då enbart dessa laddningstyper studerades. Laddningstiderna är beräknade i h timmar.
0 2 4 6 8 10 12 14
Imax, bas Imax 4,1 kW Imax 7 kW Imax 11 kW Imax 7 kW
sammanlagring 80% An ta l förla gd a ka b lar Effektuttag
Tabell 6 Känslighetsanalys
Procent-satser Kör-sträcka [km] Energi-förbrukning [kWh] Enfas 3,2 kW laddningstid [h] Trefas 11 kW laddningstid [h] 0,70 23,24 4.65 1.45 0.42 0,75 24,90 4.98 1.56 0.45 0,80 26,56 5.31 1.66 0.48 0,85 28,22 5.64 1.76 0.51 0,90 29,88 5.98 1.87 0.54 0,95 31,54 6.31 1.97 0.57 1,00 33,20 6.64 2.08 0.60 1,05 34,86 6.97 2.18 0.63 1,10 36,52 7.30 2.28 0.66 1,15 38,18 7.64 2.39 0.69 1,20 39,84 7.97 2.49 0.72 1,25 41,50 8.30 2.59 0.75 1,30 43,16 8.63 2.70 0.78
4.5
Energiöverföring från elnät till elfordon
Med statistik från (Trafa, 2018) kan en estimering av antalet elbilar i Sverige förutspås. I programmet Excel utökas antalet elbilar från tidigare år fram till år 2030 med hjälp av en funktion kallad Trendline. Figuren nedan visar denna utökade graf.
Eftersom en utökad elbilsflotta hämtar mer energi från nätet måste en beräkning på hur mycket energi nätet skall leverera till bilarna utföras. Denna beräkning är baserat på den genomsnittliga årliga körsträckan per bil om 121 100 km, med en förbrukning på 0,2 kWh/km. I tabellen nedan visas energiåtgången för samtliga år fram till och med år 2030. Tabell 7 Energibehov elbilar
År elbilar Antal Energiåtgång [GWh]
2012 582 1,41 2013 979 2,37 2014 2 106 5,10 2015 4 756 11,5 2016 7 515 18,2 2017 11 034 26,7 2018 16 492 40,0 2019 22 272 54,0 2020 28 944 70,1 2021 36 509 88,5 2022 44 967 109 2023 54 317 132 2024 64 559 156 2025 75 694 183 2026 87 721 213 2027 100 640 244 2028 114 452 277 2029 129 156 313 2030 144 753 351
Från tabellen ovan ligger den estimerade energiåtgången mellan 40 till 351 GWh från år 2018 till 2030. Energimyndigheten har från år 1970 sammanställt en rapport som visar hur
mycket elektrisk energi Sverige har producerat och konsumerat. Det varierar från år till år hur mycket landet har exporterat och importerat till andra länder. Sverige har enligt rapporten de senaste åren exporterat över 10 TWh elektrisk energi (energimyndigheten, 2018). Detta energiöverskott täcker energiåtgången för en fortsatt elektrifierad fordonsflotta.
5
RESULTAT
Resultaten för de tre undersökta nätstationerna redovisas tillsammans i samma grafer för att få en tydlig övergripande bild hur det befintliga nätet skulle påverkas.
5.1
Fördelningsnätets påverkan
Vid en ökning på 4,1 kW toppeffekt i varje undersökt hushåll skulle 2 av 34, dvs knappt 6 % av de förlagda kablarna överstiga maxgränsen för vad kabeln är dimensionerad att klara av. En ökning på 7 kW medförde att 6 av 34, dvs knappt 17 % av kablarna översteg sin
dimensionerade maxgräns. Den högsta simulerade toppeffekten på 11 kW resulterade i att 14 av 34, dvs knappt 39 % av kablarna översteg maxgränsen av vad de är dimensionerade av att klara av. Vid sammanlagringen på 7 kW blev resultatet samma som för 7 kW, dvs 6 av 34 förlagda kablar översteg maxgränsen.
Figur 13 Resultatet av fördelningsnätets påverkan av de simulerade scenarierna.
5.2
Påverkan av hushållens säkringsnivåer
Vid oförändrad last av toppeffekt är det 2 av 111 kunder som utlöst en av huvudsäkringarna obekant antal gånger. Efter första simulerade scenariot med en toppeffekt på 7 kW skulle ytterligare 15 personer utlöst en huvudsäkring, dvs 17 av 111 personer. En ökning med 11 kW toppeffekt resulterade i att 71 av 111 personer skulle utlöst åtminstone en av
huvudsäkringarna. Ytterligare en ökning av toppeffekten på 11 kW visade att 107 av 111 personer skulle utlöst en huvudsäkring. Vid en sammanlagring på 80 % och 7 kW blev resultatet att 45 av 111 personer skulle utlöst en huvudsäkring.
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Imax, bas Imax 4,1 kW Imax 7 kW Imax 11 kW Imax 7 kW
sammanlagring 80% An ta l förla gd a ka b lar Effektuttag
Figur 14 Resultatet av hushållens säkringsnivåer vid installation av elbilskontakter.
5.3
Nätstationernas påverkan
Första simulerade nätstation 74T04 delades upp i totalt 3 grenar och hade en maximal strömkapacitet på 723 A på sekundärsidan. Utan någon simulerade toppeffekt, dvs vid oförändrad last var summan av strömmen på sekundärsidan 303,7 A. Vid första simulerade toppeffekten på 4,1 kW blev summan på sekundärsidan 543,8 A. Den andra simulerade toppeffekten på 7 kW resulterade i en ström på 714,9 A på sekundärsidan. Högsta simulerade toppeffekt var 11 kW och den resulterade i en sekundärström på 942,2 A. Den sista
simuleringen med en sammanlagring på 80 % vid en toppeffekt på 7 kW resulterade i att summan av strömmen på sekundärsidan blev 631,6 A.
Tabell 8 Resultatet av nätstationen 74T04 vid de olika simulerade scenarierna.
Ström sekundärsida Imax bas [A] Imax 4.1 kW [A] Imax 7 kW [A] Imax 11 kW [A] Imax 7 kW sammanlagring 80 % [A] Gren 1 159,3 279,1 367,5 475,9 324,4 Gren 2 24,9 43 57,2 77,2 50,3 Gren 3 119,5 221,7 290,2 389,1 256,9 Summa sekundärsida 303,7 543,8 714,9 942,2 631,6 74T04 Maximal sekundärström: 723 A OK OK OK EJ OK OK
Den andra simulerade nätstationen 74T37 mynnade ut i totalt sex olika grenar som sedan summerades och jämfördes, transformatorns maximala strömkapacitet var 723 A. Vid oförändrad last var summan av sekundärströmmen 321,9 A. Summan av sekundärströmmen vid en toppeffekt på 4,1 kW var 640,8 A. Simuleringen av en toppeffekt på 7 kW resulterade i
0 20 40 60 80 100 120
Imax, bas Imax 4,1 kW Imax 7 kW Imax 11 kW Imax 7 kW
Sammanlagring 80% An ta l h u sh åll Axeltitel
en total sekundärström på 850,2 A. Vid den simulerade toppeffekten på 11 kW blev den totala sekundärströmmen 1158,1 A. Den sista simuleringen med sammanlagringen på 80 %
resulterade i en total sekundärström på 740,1 A.
Tabell 9 Resultatet av nätstationen 74T37 vid de olika simulerade scenarierna. Ström sekundärsida Imax bas
[A] Imax 4.1 kW [A] Imax 7 kW [A] Imax 11 kW [A] Imax 7 kW sammanlagring 80 % [A] Gren 1 16,6 56 84,7 127,8 70,3 Gren 2 78,1 150,6 203,9 280,5 177,8 Gren 3 37,3 76,7 105,6 128,7 91,5 Gren 4 80,1 153 206,8 284,9 180,5 Gren 5 59,1 114,3 129,6 173,6 114,9 Gren 6 50,7 90,2 119,6 162,6 105,1 Summa sekundärsida 321,9 640,8 850,2 1 158,1 740,1 74T37 Maximal sekundärström: 723 A OK OK EJ OK EJ OK EJ OK
Den tredje och sista simulerade nätstationen 74T06 hade en total strömkapacitet på 1156 A och delades upp i totalt sex grenar. Vid oförändrad last var sekundärströmmen 361,7 A. Den lägsta simulerade toppeffekten på 4,1 kW resulterade i en sekundärström på 594,6 A. En toppeffekt på 7 kW gav en sekundärström på 800,5 A. Den högsta simulerade toppeffekten på 11 kW summerades till en total sekundärström på 1072,8 A. Sista simuleringen med en sammanlagring på 80 % vid 7 kW resulterade i en total sekundärström på 711,8 kW. Tabell 10 Resultaten av nätstationen 74T06 vid de olika simulerade scenarierna.
Ström sekundärsida Imax bas [A] Imax 4.1 kW [A] Imax 7 kW [A] Imax 11 kW [A] Imax 7 kW sammanlagring 80 % [A] Gren 1 11,2 16,3 31,9 52,6 29,5 Gren 2 80,3 133,1 172,5 228,9 153,4 Gren 3 34,8 54 67,9 105 69,9 Gren 4 76,2 121,2 165,2 200,5 147 Gren 5 72,8 130,7 173,1 233 152,6 Gren 6 86,4 139,3 189,9 252,8 159,4 Summa sekundärsida 361,7 594,6 800,5 1 072,8 711,8 74T37 Maximal sekundärström: 1156 A OK OK OK OK OK
5.4
Laddningstider
Laddningstider för elbilar kan variera stort, det som påverkar laddningstiderna är dels inmatad effekt, hur stort batteri bilen har samt hur mycket energi batteriet bär på innan laddningen startas. Nedan visas en tabell på olika laddningstider som baserar sig på den genomsnittliga dagliga körsträckan på 33,2 km, med energibehov på 6,6 kWh från
känslighetsanalysen i tabell 6. I resultatet tas inga förluster med i beräkningen, vilket skulle ha ökat laddningstiden för varje körsträcka.
Av de 10 vanligaste elbilarna idag kan endast 3 stycken laddas med trefas. Den maximala effekten för enfas är 3,7 kW med en säkring på 16A.
Tabell 11 Laddtider Energibehov [kWh] 4,6 5 5,3 5,6 6 6,3 6,6 7 7,3 7,6 8 8,3 8,6 Laddningstid 1,4 kW [h] 3,29 3,57 3,79 4,00 4,29 4,50 4,71 5,00 5,21 5,43 5,71 5,93 6,14 Laddningstid 3,7 kW [h] 1,24 1,35 1,43 1,51 1,62 1,70 1,78 1,89 1,97 2,05 2,16 2,24 2,32 Laddningstid 4,1 kW [h] 1,12 1,22 1,29 1,37 1,46 1,54 1,61 1,71 1,78 1,85 1,95 2,02 2,10 Laddningstid 7,0 kW [h] 0,66 0,71 0,76 0,80 0,86 0,90 0,94 1,00 1,04 1,09 1,14 1,19 1,23 Laddningstid 11,0 kW [h] 0,42 0,45 0,48 0,51 0,55 0,57 0,60 0,64 0,66 0,69 0,73 0,75 0,78
Vid simuleringarna utfördes endast effektuttag på trefas. För att göra resultaten från
simuleringarna representativa för enfasladdning kan endast en tredjedel av effekten nyttjas. Detta beror på att för samma effektuttag vid enfasladdning krävs en tre gånger så hög ström som vid trefasladdning. Eftersom det är strömmen i varje fas som är avgörande för om kabeln blir överbelastad eller inte måste enfasladdningen ske med en tredjedel av den
6
DISKUSSION
Detta kapitel består av två underrubriker där metod och resultat diskuteras. I metoden diskuteras blad annat för- och nackdelar och möjliga felkällor för de använda metoderna. Resultatet diskuteras i en separat underrubrik och analyseras.
6.1
Metod
Att undersökningen gjordes för tre olika nätstationer och dess fördelningsnät var planerat för att kunna få ett överskådligare resultat än om bara en nätstation hade undersökts. Med mera tid hade med fördel flera nätstationer undersökts, både gamla och nyare områden för att få ett ännu rättvisare resultat.
Insamlingen av data för det undersökta området gjordes med hjälp av programmet Trimble och anses vara tillförlitligt på grund av att EEM själva använder programmet och det är deras nät. En svaghet med programmet vad gäller datainsamlingen var att timbaserade mätningar inte genomfördes, utan enbart snittförbrukning per dygn. På grund av denna typ av mätning gick det inte att få en exakt siffra på förbrukningen fördelat över dygnet, däremot gick det att uppskatta de enskilda hushållens förbrukning över dygnet med hjälp av Betty-kurvor. Programmets uppmätta data vad gällde strömstorleken i de förlagda kablarna är också en parameter som anses vara tillförlitlig då den tagits fram på samma sätt som hushållens förbrukning. Möjlig felkälla finns när de olika toppeffekterna simulerats då det inte tagits hänsyn till några förluster av själva uppladdningen.
Ekvation 12 som användes för att beräkna det maximala effektuttaget i hushållen är ett rimligt antagande, dock kan en möjlig felkälla till denna formel vara att cos θ är antaget till 1, dvs ingen hänsyn tas till om det är en induktiv eller kapacitiv last.
Den litteratur som användes vad gäller kablarnas tålighet gentemot strömstyrka är en handbok för elnätsingenjörer. Viss typ av felmarginal finns även här då markens status har påverkan, tex uppvärmd, nerkyld, fuktig eller torr.
Delar av litteraturstudien stödjer att elbilar/elhybrider blir populärare och växer i antal, även att batteriernas kapacitet ökar dvs färdsträckan blir längre. För att nå de klimatmål som är uppsatta vad gäller en helt oberoende fossilfordonsflotta år 2030 måste elnätet klara av att leverera den effekt som krävs. Finns det en färdig miljö för att ladda sin elbil kommer det antalet elbilar/elhybrider troligtvis öka ännu snabbare, det skall inte finnas en osäkerhet att äga en elbil och inte kunna ladda den när som helst.
För den sista frågeställningen vad gäller den rimliga effekten för laddning av elbil i privat hushåll kopplas den till den dagliga körsträckan. Eftersom den genomsnittliga dagliga körsträckan bara ger ett värde utfördes en känslighetsanalys. Fördelen med en
känslighetsanalys är att den ger ett intervall med en given procentsats, i detta arbete ansattes denna procentsats till +/- 30 %. Nackdelen med denna känslighetsanalys är att den inte ger något resultat för personer med längre eller kortare körsträckor än vad intervallet täcker.
6.2
Resultat
Hur de tre fördelningsnäten påverkades redovisas i Figur 13 och grafen visar att vid samtliga simulerade toppeffekter skulle minst två förlagda kablar påverkas negativt. Eftersom det var tre undersökta nätstationer och enbart två förlagda kablar som inte uppfyllde kraven vid en toppeffekt på 4,1 kW, innebär det att ett av de tre fördelningsnäten uppfyllde kraven för att kunna installera elbilsladdare. Däremot ger den simuleringen inte ett rättvist resultat, därav vikten att simulera flera nätstationer för att få ett övergripande resultat. Det betyder att med ett samlat resultat av de tre nätstationerna klarar inte någon av de simulerade scenarierna vid befintligt fördelningsnät kraven för att kunna installera elbilsladdare.
Huvudsäkringarna har under de olika simuleringarna behållits på samma nivå som då fanns i hushållet. Vid simuleringarna av de olika toppeffekterna visar Figur 14 resultatet och även här påverkas ett flertal hushåll negativt vid samtliga scenarier. Eftersom simuleringarna gjordes med dåvarande säkringsnivåer finns det möjlighet att öka nivåerna på ett flertal hushåll och på så sätt kunna hantera större toppeffekt. Inmatningskablarna till hushållen är dimensionerade att klara av 16, 20 och 25 A, det är en satt standard. Anledningar till att alla inte har 25 A är att kostnaden för abonnemanget är högre och att det är få som i dagsläget har behov av så höga säkringsnivåer. Där finns en möjlig åtgärd att få fler hushåll att klara av högre toppeffekter. På grund av tidsbrist har en avgränsning gjorts att enbart kolla på
nuvarande säkringsnivåer. Att studera hur många hushåll som skulle klara en högre toppeffekt med en nivåökning på huvudsäkringarna från 16 och 20 till 25 A skulle vara ett intressant steg.
Resultaten på hur nätstationerna skulle påverkats vid en ökning av toppeffekter i samtliga hushåll visas i Tabell 8, Tabell 9 och Tabell 10. Första stationen 74T04 visar sig klara av alla ökade toppeffekter förutom 11 kW. Däremot är toppeffekten 7 kW väldigt nära strömgränsen vad transformatorn klarar av, det är inte optimalt och där skulle en ny transformatorn med en högre strömgräns behövas. Nätstationerna 74T04 och 74T37 har samma strömgräns på transformatorerna. Nätstationen 74T37 har en högre belastning och klarar färre simulerade toppeffekter, enbart 4,1 kW skulle godtagits. Anledningen till högre belastning är i grunden fler antal hushåll kopplade till stationen. Den tredje nätstationen 74T06 har en transformator av större modell, dvs den har en större strömgräns och det resulterar i att denna station klarar av samtliga simulera scenarier med respektive toppeffekter.
Från känslighetsanalysen över den dagliga körsträckan varierar laddningstiderna från ca. en halvtimme till drygt två timmar. Kortaste laddningstiden är med högsta effekt till det lägsta energibehovet i batteriet. För den längst laddningstiden på drygt två timmar gäller det för den lägsta inmatade effekten, 4,1 kW med det högsta energibehovet till batteriet. Drygt två timmar laddning med 4,1 kW ger en körsträcka på ca. 43 km.
Skulle den dagliga körsträckan vara betydligt större än så, till exempel 120 km/dag vilket inte är ett allt för omöjligt scenario för en person med 60 km enkel resa till jobbet, skulle
laddningstiden för denna resa bli följande: 4,1 kW i drygt två timmar gav ca. 43 km, vilket leder till att 4,1 kW i drygt sex timmar ger ca 120 km/dag.
7
SLUTSATSER
I detta arbete har möjligheten och påverkan av nätet studerats vid en extra last i form av laddkontakter till elfordon.
Resultatet av detta arbete visar tydligt vilken del i nätet som påverkas mest av installation av laddkontakter för elbilar i privata hushåll. Fördelningsnätet är den del som tidigast blir överbelastad för de olika toppeffekterna.
Eftersom fler huvudsäkringar, fördelningskablar och nätstationer blir överbelastade med ett ökat effektuttag, dras slutsatsen att alla effekter över 4,1 kW inte är en möjlig nivå. Alla nätstationer klarar av att leverera ström vid en extra toppeffekt på 4,1 kW. Fördelningsnätet bestod av 34 stycken kablar, 2 av dessa överskred sin maximala strömgräns vid en extra toppeffekt på 4,1 kW. Av totalt 111 hushåll var det 17 stycken som överskred sin dåvarande huvudsäkring.
För att minska antalet hushåll som överskred sin huvudsäkring vid en extra toppeffekt på 4,1 kW, skulle en åtgärd kunna göras genom att höja säkringsnivån till 25 A. I Bilagorna finns all data över de simulerade fallen. För de 17 hushåll som överskred sin säkringsnivå är det endast 3 stycken som fortfarande skulle överskrida sin säkringsnivå om samtliga bytte till 25 A, vilket är en rimlig åtgärd. Det tillkommer dock en avgift från nätbolaget.
Sammanfattningsvis är en omställning från fossildrivna fordon till helt eldrivna fordon en möjlig övergång med befintligt nät i undersökningsområdet. Vid en extra toppeffekt på 4,1 kW skulle endast 3 av 111 hushåll överskrida sin huvudsäkring, om de drabbade ökade till 25 A. 2 av 34 fördelningskablar överbelastas vid en extra toppeffekt på 4,1 kW. Det skulle kunna gå att byta dessa till en kabel med högre strömgräns. Samtliga nätstationer överbelastas ej vid 4,1 kW i samtliga hushåll.
Eftersom den genomsnittliga dagliga körsträckan var 33,2 km, skulle tiden för att ladda denna sträcka ta drygt 1,5 timme med 4,1 kW. För att alltid ha en fulladdad bil på morgonen är 1,5 timme en låg siffra i förhållande till nattens timmar.
Utifrån dagens vanligaste bilmodeller kan samtliga laddas med den simulerade trefaseffekten på 4,1 kW. Det som gör studien missvisande är att simuleringarna är utförda på enbart trefaseffekter. För de bilar som endast kan laddas med enfas minskas effektuttaget med en tredjedel och visas i raden för 1,4 kW.
Vid en utökad elektrisk fordonsflotta krävs ett större energiuttag från det svenska elnätet. Hur pass stort behovet är jämfört med hur mycket elektrisk energi landet producerar är en viktig aspekt. För att få en tydlig bild av detta har energibehovet för elbilarna beräknats i tabell 6. Utifrån Energimyndighets rapport (Energimyndigheten, 2018) framgår det att ett ökat elektriskt energibehov inte skulle påverka landets elnät negativt. Från tidigare
resonemang kan slutsatsen dras att det är effekttoppar med höga strömmar som begränsar laddningstider och körsträckor för elbilar. Mängden elektrisk energi finns för en fortsatt utveckling av antalet elbilar i Sverige.
8
FÖRSLAG TILL FORTSATT ARBETE
Efter arbetes gång var två självklara frågeställningar intressanta ämnen för fortsatta arbeten. Det första ämnet att utforska skulle vara att jämföra nybyggda bostadsområden jämfört med äldre som i detta arbete. Detta skulle ge en tydligare bild av hur möjligheten för
laddinfrastrukur ser ut i flera olika typer av bostadsområden.
För att en överbelastning av nätet inte ska inträffa finns olika typer av lösningar, det skulle vara intressant att göra en kostnads- och funktionssammanställning på olika typer av
effektreglerare som kommunicerar med nätet och styr den utmatande effekten till elbilen, en ombyggnad av nätet som utökar kapaciteten eller en införing av olika nättariffer som gör det ekonomiskt fördelaktigt för en kund att ladda sin elbil då nätet är lågt belastat.
REFERENSER
Björ, L. (2013). Utredning av lämplig laddinfrastruktur för elbilar och laddhybrider i Umeå. Umeå: Universitet. Nedladdad från:
http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:627153/FULLTEXT01.pdf
Carin Carlsson. (2018). Transformator.
https://www.ne.se/uppslagsverk/bild/teckning/transformator-(fr%C3%A5n-kott) (hämtad 2018-03-29) Elbilsverige. (2015). Laddstandarder. http://www.elbilsverige.se/2015/12/15/laddstandarder/ (hämtad 2018-03-29) Energimyndigheten. (2015). Energieffektivisering. http://www.energimyndigheten.se/energieffektivisering/ (hämtad 2018-04-03) Energimyndigheten. (2018). Energiläget. http://www.energimyndigheten.se/statistik/energilaget/?currentTab=1#mainheadin g (hämtad 2018-06-25)
Göteborg Energi. (2018). Så här fungerar elnätet.
https://www.goteborgenergi.se/Privat/Produkter_och_priser/Elnat/Sa_har_fungera r_elnatet (hämtad 2018-03-28)
Kungliga tekniska högskolan. (2018). Aktiv, reaktiv och skenbar effekt. (hämtad 2018-06-10)
https://www.kth.se/social/files/55112badf2765409286e90a4/acpower.pdf
Laddaelbilen. (2018). Kontaktdjungeln.
http://www.laddaelbilen.se/elbilar/fakta-om-elbilar-6345043 (hämtad 2018-03-29)
Lundgren, A. (2016). Elbilsladdning i anslutning till bostadsfastighet. Uppsala: Universitet. Nedladdad från:
http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:941583/FULLTEXT01.pdf
Mestmotor. (2018). Så mycket drar elbilarna och laddhybriderna i verkligheten.
http://www.mestmotor.se/recharge/artiklar/nyheter/20170320/sa-mycket-drar-elbilarna-och-laddhybriderna-i-verkligheten/ (hämtad 2018-04-14)
Nationalencyklopedin. (2018). Transformator.
https://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/transformator (hämtad
2018-03-29)
Nexans. (2018). Kabelboken: Installation och elnät. Grimsås: Nexans.
https://www.nexans.se/eservice/Sweden-sv_SE/fileLibrary/Download_540250359/Sweden/files/Kabelboken_Installation_El n%C3%A4t.pdf (hämtad 2018-04-17)
Regeringen. (2015). Fossiloberoende fordonsflotta – ett steg på vägen mot nettonollutsläpp av växthusgaser.
http://www.regeringen.se/rattsdokument/kommittedirektiv/2012/07/dir.-201278/
(hämtad 2018-04-11) SCB. (2018). Tätorter 1960-2005.
http://www.scb.se/statistik/MI/MI0810/2005A01x/MI0810_2005A01x_SM_MI38
SM0703.pdf (hämtad 2018-03-28)
Sundholt. (2016). Ordning i kontaktdjungel för elbilar.
http://blogg.sundhult.com/2016/08/29/ordning-i-kontaktdjungel-for-elbilar/
(hämtad 2018-03-29)
SvD. (2017). Intresset ökar för att köpa elbil. https://www.svd.se/fler-kan-tanka-sig-kopa-elbil (hämtad 2018-04-11)
Svenskenergi. (2015). I linje med europeisk standard hämtad den.
http://www.svenskenergi.se/Pressrum/Nyheter/Nationell-standard-for-laddstationer-Nu-har-Sverige-bestamt-sig-/ (hämtad 2018-03-29)
Tekniska verken. (2017). Så fungerar elmarknaden.
https://www.tekniskaverken.se/tjanster/elnat/sa-fungerar-elmarknaden/ (hämtad
2018-03-28)
Trafa. (2018). Körsträckor med svenskregistrerade fordon.
https://www.trafa.se/vagtrafik/korstrackor/ (hämtad 2018-04-23)
Trafikverket. (2018). Transportsektorns utsläpp. https://www.trafikverket.se/for-dig-i- branschen/miljo---for-dig-i-branschen/energi-och-klimat/Transportsektorns-utslapp/ (hämtad 2018-04-11)
Vattenfall. (2018). Välj rätt huvudsäkring. https://www.vattenfalleldistribution.se/el-hem-till-dig/valj-ratt-huvudsakring/ (hämtad 2018-04-03)
BILAGA 1: SIMULERINGSDATA
8.1
Nätstation 74T04
8.1.1
Hushållsströmmar 74T04
Nedan presenteras de maximala strömmarna för hushållen i området vid de olika scenarion. Tabell 12 Maximala strömmar hushåll 74T04
Adress Huvudsäkring [A] Imax bas [A] Imax 4,1kW [A] Imax 7,0kW [A] Imax 11,0kW [A] Imax sammanlagring 80% 7,0kW [A] Hus 1 16 15,8 20,7 25,9 33,4 23,4 Hus 2 16 6,4 13,2 18,2 25,5 15,7 Hus 3 20 9,6 16,1 21,2 28,6 18,7 Hus 4 25 8 14,1 19,1 26,5 16,7 Hus 5 20 11,9 17,2 22,4 29,8 19,9 Hus 6 16 6,4 13,2 18,2 25,6 15,8 Hus 7 16 5,5 12,2 17,1 24,3 14,7 Hus 8 16 7,1 12,9 17,8 24,9 15,4 Hus 9 16 8,2 14,9 19,9 27 17,5 Hus 10 16 12,8 19,7 24,7 32 22,2 Hus 11 25 11,5 17,5 22,4 29,6 19,9 Hus 12 16 6,1 12,8 17,7 24,8 15,3 Hus 13 20 9,6 15,7 20,5 27,2 18,2 Hus 14 16 14,7 19,4 24,2 31 21,9 Hus 15 25 10,7 17,2 21,9 28,5 19,6 Hus 16 20 19,5 25,4 29,9 36,5 27,7 Hus 17 20 8,6 13,9 18,6 25,2 16,3 Hus 18 20 6,5 12,9 17,6 24,2 15,3 Hus 19 25 9,2 15,5 20,4 27,7 18 Hus 20 20 2,8 9,4 14,3 21,4 11,9 Hus 21 16 14,7 21 25,9 33,1 23,5 Hus 22 20 8,6 15,1 20,1 27,5 17,7 Hus 23 16 14,3 20,5 25,3 32,3 22,9 Hus 24 20 5,2 11,4 16,3 23,4 13,9 Hus 25 20 9 15,4 20,4 27,5 17,9 Hus 26 20 8,8 14,8 19,8 27 17,4
