Augusti 2018
Publika laddstationer i Stockholms innerstad
När inträffar effekttoppar och hur sammanfaller dom med andra laster i nätet
Sigge Sonerud
Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten
Besöksadress:
Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0
Postadress:
Box 536 751 21 Uppsala
Telefon:
018 – 471 30 03
Telefax:
018 – 471 30 00
Hemsida:
http://www.teknat.uu.se/student
Public charging stations in Stockholm city
Sigge Sonerud
This master thesis is the final part of the Master Programme in Energy Systems Engineering at Uppsala University. The aim of the thesis is to investigate how the existing and forthcoming public charging stations for chargeable vehicles in Stockholm city affect and will affect the work of Ellevio from a power point of view concerning today and the year of 2030. The master thesis contains public charging infrastructure, charging patterns at fast charging stations, coincidence factor of loads in secondary substations and the medium voltage grid and results in three recommendations to Ellevio AB.
A charging station is a new type of load that differs from traditional loads because the relationship between energy and power is different. For this reason, it is of interest for grid owners to investigate in what sense the public charging infrastructure will affect their work with regard to peak loads.
To be able to investigate and analyse the resulting load from public charging stations in secondary substations and the medium voltage grid, five different cases were used. For each of these five cases, public charging stations with different power get connected to the grid.
A recommendation to Ellevio AB is to install measuring equipment in certain fast charging stations and secondary substations that are of interest. Another recommendation is to prioritise the change from Cu 95 cables and Al 150 cables to Al 240 cables in certain areas of the medium voltage grid. The last recommendation is to use a limit of three installations of charging stations to a secondary substation in Stockholm city today and a limit of two installations of charging stations to a secondary substation in Stockholm city by the year of 2030.
ISSN: 1650-8300, UPTEC ES 18035
Examinator: Petra Jönsson, Department of Physics and Astronomy, UU Ämnesgranskare: Cecilia Boström, Department of Engineering Sciences, UU Handledare: Robert Södergård, Network Planner, Ellevio AB
Populärvetenskaplig sammanfattning
Denna rapport är en del av examensarbetet inom civilingenjörsprogrammet i energisystem vid Uppsala Universitet. Rapportens syfte är att undersöka hur de befintliga och kommande publika laddgatorna och snabbladdningsstationerna i Stockholms stad påverkar och kommer att påverka Ellevios verksamhet ur en effektmässig synpunkt med avseende på nutid och år 2030. Exa- mensarbetet innefattar publik laddinfrastruktur, laddningsbeteende vid snabbladdningsstationer, sammanlagring av laster i nätstationer och slingor inom mellanspänningsnätet och avslutas med tre rekommendationer till Ellevio AB.
Laddningsstationer är en ny typ av last som skiljer sig från traditionella laster på så sätt att förhållandet mellan energi och effekt är annorlunda. Det är därför av intresse för elnätsbolag att studera i vilken utsträckning den publika laddinfrastrukturen kommer påverka deras verksamhet med avseende på effekttoppar.
För att undersöka och analysera lasten i nätstationer och slingor inom mellanspänningsnätet vid anslutning av laddgator och snabbladdningsstationer används fem olika fall varav två är scenarier för nutid och tre är scenarier för 2030. För varje fall ansluts laddgator eller snabbladdningssta- tioner av olika effekt till nätstationer och slingor inom mellanspänningsnätet.
Ellevio AB rekommenderas sätta upp mätanordning för Snabbladdningsstation 1 och Nätstation 5 eftersom det är ett intressant område för fortsatta studier. En annan rekommendation är att prioritera utbytet av Cu 95- och Al 150-kablar till Al 240-kablar för nyckelslingor som Slinga 1 och Slinga 3 för att öka effektkapaciteten på slingorna. Den sista rekommendationen är att ha en varningsgräns om tre laddgator med snabbladdare under samma nätstation i Stockholms innerstad idag och en varningsgräns om två laddgator med snabbladdare under samma nätstation i Stockholms innerstad till år 2030.
Exekutiv sammanfattning
Publik snabbladdning av laddbara fordon i Stockholms innerstad sammanfaller med tidpunkter då nätstationer och slingor är tungt lastade. Studien visar på att det maximala antalet snabb- laddningsstationer som idag kan installeras innan nätstationerna inom studien blir överbelastade är sex stycken. För laddgator med säkring om 160 A är det maximala antalet tre stycken.
För snabbladdning á 350 kW blir nätstationer inom studien överbelastade av endast en snabb- laddare. För slingorna inom studien blir Slinga 1 överbelstad av 11 snabbladdare, Slinga 2 över- belastad av 10 snabbladdare och Slinga 3 överbelastad av 9 snabbladdare. För snabbladdning á 160 kW blir Nätstation 1 överbelastad av två snabbladdare och resterande nätstationer blir överbelastade av tre snabbladdare.
En eventuell elbilsboom kan komma redan 2025 enligt nyligen producerade studier. Den största bidragande faktorn till detta är att batteripriset sjunker och kommer fortsätta att sjunka enligt dagens prognoser.
Om befintliga flaskhalsar i Slinga 1 och Slinga 3 skulle ersättas med Al 240-kablar kan antalet installerade snabbladdare öka med cirka 50 % för fall 2, fall 3, fall 4 och fall 5. Idag kan Slinga 1, Slinga 2 och Slinga 3 belastas med 320, 310 och 250 laddpunkter idag. En rekommendation till Ellevio blir således att påbörja planeringen för att ut byta ut flaskhalsar till Al 240-kablar innan 2025 då en eventuell elbilsboom kan inträffa. En sådan åtgärd kommer öka kapaciteten till att installera publika snabbladdningsstationer och laddgator med 50 %.
En annan rekommendation till Ellevio är att för vidare analys och undersökning sätta upp mätan- ordning i Nätstation 5. Mätanordningen ska mäta maximal uppmätt effekt per femtonde minut.
Det vore också av intresse att sätta upp mätanordning i Snabbladdningsstation 1 som också mäter maximal uppmätt effekt per femtonde minut.
En sista rekommendation är att ha en varningsgräns om tre laddgator med snabbladdare under samma nätstation i Stockholms innerstad idag och en varningsgräns om två laddgator med snabbladdare under samma nätstation i Stockholms innerstad till år 2030.
Förord
Detta examensarbete har gjorts åt Ellevio AB. Arbetet har utförts på Ellevios kontor i Stockholm och vid Uppsala Universitet.
Jag skulle vilja tacka alla som varit delaktiga och stöttande under detta examensarbete. Ett extra tack till min handledare Robert Södergård på Ellevio och min ämnesgranskare Cecilia Boström på Uppsala Universitet för all hjälp, vägledning och klok respons som har styrt detta arbete i rätt riktning.
Avslutningsvis vill jag rikta ett tack till alla på Ellevio för deras intresse och för deras bidrag till en trevlig och rolig tid på kontoret.
Tack för allt!
Stockholm, augusti 2018.
Sigge Sonerud
Ordlista
AC:Alternating Current - växelström.
AC 43 kW:En av tre standarder för snabbladdare.
CCS:EU-standard för snabbladdning.
CHAdeMO:Japansk standard för snabbladdning.
DC:Direct Current - likström.
Förbrukningskurva:Ett sätt att presentera under vilka timmar på dygnet som en ansluten kund till elnätet förbrukar mest energi.
Laddbara fordon: Ett fordon med en eller flera elmotorer och ett eller flera batterier som kan laddas via en extern kabel från elnätet.
Laddgata:En utvald sträcka med flera laddare bredvid varandra.
Laddningsmode:Olika utföranden av anslutning till elnätet som förekommer vid laddning. Finns fyra olika moder som benämns Mode 1, Mode 2, Mode 3 och Mode 4.
Laddpunkt:Kontakten där det laddbara fordonet laddas.
Laddstation: Plats med möjlighet till laddning. Består av en eller flera laddpunkter där el kan överföras till ett eller flera fordon.
Ladduttag:Uttag som är speciellt framtagna för laddning av elfordon. Finns två olika typer som benämns Typ 1 och Typ 2.
Normalladdning:Laddning av ett laddbart fordon med en effekt om lägst 3,7 kW och högst 22 kW.
Slinga:Kablar som utgör rundmatningen i mellanspänningsnätet.
Snabbladdning:Laddning av ett laddbart fordon med en effekt på mer än 22 kW.
SOC:State Of Charge - procentuell andel av det laddbara fordonets batteri som är laddat.
Tesla Supercharger:Teslas egenutvecklade snabbladdare.
1 Inledning 1
1.1 Ellevio . . . 1
1.2 Syfte . . . 1
1.3 Mål . . . 1
1.3.1 Frågeställningar . . . 2
1.4 Bakgrund . . . 2
1.4.1 Laddinfrastruktur . . . 6
1.5 Tidigare arbeten . . . 6
1.5.1 Kvalitativ användarstudie av publik laddning . . . 7
1.5.2 Kvantitativ analys av nyttjandet av publika laddplatser . . . 7
1.5.3 Fallstudie med avseende på e-mobilitet . . . 7
2 Teori 8 2.1 Laddbara fordon . . . 8
2.1.1 Laddhybrid . . . 8
2.1.2 Rent elfordon . . . 8
2.2 Laddning av laddbara fordon . . . 8
2.2.1 Normalladdning . . . 9
2.2.2 Snabbladdning . . . 9
2.2.3 Tesla supercharger . . . 9
2.2.4 Laddningsmoder . . . 10
2.2.5 Laddning med AC . . . 10
2.2.6 Laddning med DC . . . 11
2.3 Batterier . . . 11
2.4 Lastbalanseringssystem . . . 11
2.5 Sveriges elnät . . . 12
2.6 Sammanlagring . . . 12
2.7 Nätstation . . . 13
2.8 Fördelningsstation . . . 13
2.9 Markkabel . . . 13
3 Metod 14 3.1 Val av laddplatser . . . 14
3.1.1 Laddningsbeteende för snabbladdningsstationer . . . 14
3.2 Val av tidsperiod . . . 15
3.3 Datahantering . . . 15
3.3.1 Antaganden och begränsningar . . . 15
3.4 Scenarion för nutid och 2030 . . . 16
3.5 Beräkning på nätstationer . . . 17
3.6 Beräkning på mellanspänningsnätet . . . 18
3.6.1 Tillvägagångssätt . . . 18
4 Resultat 20 4.1 Beräkning på nätstationer . . . 20
4.1.1 Fall 1 . . . 20
4.1.2 Fall 2 . . . 27
4.1.3 Fall 3 . . . 29
4.1.4 Fall 4 . . . 30
4.1.5 Fall 5 . . . 32
4.2 Beräkning på slingor . . . 33
4.2.1 Fall 1 . . . 34
4.2.2 Fall 2 . . . 39
4.2.3 Fall 3 . . . 39
4.2.4 Fall 4 . . . 40
4.2.5 Fall 5 . . . 40
5 Diskussion 41 6 Slutsatser 43 7 Rekommendationer till Ellevio 44 7.1 Rekommendation 1 . . . 44
7.2 Rekommendation 2 . . . 44
7.3 Rekommendation 3 . . . 44
Referenser 46
1 Inledning
En av vår tids största utmaningar är klimatförändringarna. Klimatförändringar är både naturliga och påverkade av mänsklig aktivitet. Den mänskliga påverkan sker i huvudsak vid förbränning av fossila bränslen då koldioxid frigörs och ökar atmosfärens halt av växthusgaser [1]. För att motverka utsläppen i den Europeiska Unionen (EU) presenterade den europeiska kommissionen i mars 2011 ett meddelande om en färdplan för EU för en konkurrenskraftig och koldioxidsnål ekonomi till år 2050 [2].
Medlemsnationerna i EU har satt upp sina egna mål för att kunna minska klimatförändringarna orsakade av mänsklig aktivitet. Sveriges regering beskriver i sin proposition En sammanhållen svensk klimat och energipolitik [3] en vision om att Sverige ska ha en resurseffektiv och hållbar energiförsörjning utan nettoutsläpp av växthusgaser till atmosfären år 2050. Som ett led i denna vision sattes en långsiktig prioritering om att Sverige bör ha en fordonsflotta som är oberoende av fossila bränslen år 2030.
Stockholms stad har som mål att vara fossilfritt till år 2040 och ett avstämningsmål på vägen dit är att vara fossiloberoende år 2030 [4]. En viktig faktor för att nå det målet för både Sverige och Stockholm är en större användning av laddbara fordon. En hög andel publik laddinfrastruktur för laddbara fordon är således viktigt.
1.1 Ellevio
Ellevio bildades år 2015 då Fortum sålde sin elnätsverksamhet till ett konsortium som består av Tredje AP-fonden, Folksam, Första AP-fonden samt OMERS Infrastructure. De driver och under- håller elnät i Stockholm, Värmland, Dalarna, Gävleborg, Skaraborg/Närke och längs västkusten i Sverige [5].
1.2 Syfte
Syftet med detta examensarbete är att undersöka hur befintliga och kommande publika ladd- gator och snabbladdningsstationer i Stockholms stad påverkar och kommer att påverka Ellevios verksamhet ur en effektmässig synpunkt med avseende på nutid och år 2030.
1.3 Mål
Målet med examensarbetet är att analysera hur stor effekt som går att installera på de av Stockholm stad planerade platserna för laddgator. Utifrån resultaten kommer rekommendationer till Ellevio att presenteras gällande utbyggning och förbättring av låg- och mellanspänningsnätet i Stockholm.
1.3.1 Frågeställningar
• Hur ser förbrukningskurvan ut för en laddgata eller snabbladdningsstation?
• Hur stor installation av laddgator eller snabbladdningsstationer kan ett område klara av?
• Hur ser trenden ut för antalet laddbara fordon ut i framtiden?
1.4 Bakgrund
Laddbara fordon ökar i hög takt i Sverige. I figur 1 åskådliggörs utvecklingen av antalet laddbara fordon i Sverige från det tredje kvartalet 2012 till det fjärde kvartalet 2017 [6].
Figur 1: Utveckling av antalet laddbara fordon i Sverige från det tredje kvartalet 2012 till det fjärde kvartalet 2017. Den orangea stapeln är laddhybrider och den blå stapeln är elbilar. [6]
De vanligaste elbilsmodellerna i Sverige är Nissan Leaf, Renault Zoe och Tesla Model S [6]. De använder sig av olika tekniker för normal- och snabbladdning och åskådliggörs i tabell 1.
Tabell 1: De vanligaste elbilsmodellerna i Sverige idag.
Modell Ladduttag bilsida Snabbladdning
Nissan Leaf Typ 1 CHAdeMO
Renault Zoe Typ 2 AC typ 2 (43 kW)
Tesla Model S Typ 2 Tesla Supercharger
Det har tidigare genomförts progonoser gällande antalet laddbara fordon. Två av dessa är Bonus- malusutredningen och en prognos gjord av Power Circle som båda utgår från år 2016. Dock åskådliggörs bara värden från 2018 i bilderna nedan.
I figur 2 åskådliggörs Bonus-malusutredningens och Power Cirles prognos mot år 2020 tillsam- mans med en exponentiell utveckling gjord i MATLAB mot år 2020. Den exponentiella utveck- lingen bygger på de riktiga värdena för utveckligen av laddbara fordon som åskådliggörs i figur 1. I figur 3 åskådliggörs Power Cirle prognos som sträcker sig till år 2030.
Figur 2: Prognos av Power Circle, prognos av Bonusmalusutredningen och en exponentiell ut- veckling gjord i MATLAB för antalet laddbara fordon i Sverige till år 2020.
Figur 3: Power Circles prognos för antalet laddbara fordon i Sverige vid år 2030.
Dock är både Power Circles och Bonusmalusutredningens prognoser osäkra och kan revideras
eftersom utveckligen har gått snabbare än vad som förväntades. Framförallt har bilindustrin lagt in ett högre tempo än beräknat. Faktorer som billigare batterier och hur synen på dieselmotorn förändrades efter dieselgate har också påverkat utvecklingen [7].
Forskning från Bloomberg New Energy Finance visar att redan år 2025 blir elbilar billigare än fossilbilar. Fallande batterikostnader är det som förväntas göra elbilen billigare. Batteripaketet står för ungefär hälften av kostnaden för en elbil. Batteripriserna sjunker i snabb takt på grund av en alltmer kostnadseffektiv massproduktion. Det beräknas att batteripriset sjunker med 77 procent under perioden 2016-2030 [8]. Att batteripriset sjunker och har sjunkit är inget nytt.
Under perioden 2010-2014 sjönk batteripriset stadigt för att sedan sjunka hela 35 procent mellan 2014-2015 [9].
Efterfrågan på möjlighet till laddning av sitt laddbara fordon ökar i takt med att antalet laddbara bilar ökar i Stockholm. Därför satsar Stockholms stad på att etablera laddgator1. En laddgata innebär en utvald sträcka med flera laddare bredvid varandra. Det finns tre olika typer av laddgator beroende på vad för typ av laddare som finns på sträckan:
• Endast snabbladdare.
• Snabb- och normalladdare.
• Endast normalladdare.
Det finns redan 15 laddgator i Stockholm som åskådliggörs i figur 4.
Figur 4: Befintliga laddgator i Stockholm. Hämtad från: http://www.stockholm.se/laddgator (2018-03-13).
1Laddgator: http://www.stockholm.se/laddgator
Trafikkontoret och miljöförvaltningen i Stockholm anser att huvuddelen av laddningen ska ske vid hemmet eller där bilens primära laddningspunkt är placerad [10]. Bilens primära laddpunkt kan vara parkering på arbetsplatsen för tjänstefordon. Denna slutsats delas också av Energimyn- digheten [11] och WSP [12]. Det är dock vanligt att bilägare i Stockholms innerstad har sin hemparkering på gatan och således möjlighet att ladda sitt laddbara fordon på gatan [10].
I Europaparlamentets och rådets direktiv om utbyggnad av infrastrukturen och alternativa bräns- len anges ett riktmärke om ett genomslittligt antal publika laddningspunkter om åtminstone en laddningsstation per tio laddbara bilar [13]. Under våren 2017 fanns det cirka 600 publika ladd- punkter i Stockholms stad. De flesta utav dom finns i Stockholms Parkering AB:s garage och ytparkeringar. Det planeras att från Stockholm Parkering AB att sätta upp ytterligare 500 pub- lika laddpunkter till år 2020. Således krävs det åtminstone 400 laddpunkter på gatumark för att nå upp till EU:s rekommendation. För att leva upp till riktmärket har Stockholms stad satt upp ett kortsiktigt mål:
500 publika laddpunkter på gatumark fram till år 2020 [10].
Ett sätt att leva upp till det kortsiktiga målet är att installera 50 stycken laddgator á 10 laddpunk- ter per laddgata [10]. Det kortsiktiga målet är uppdelat i hållpunkter. Hållpunkt 1 resulterade i den första installationen av laddgator som åskådliggörs i figur 4.
• Hållpunkt 1: 100 nya laddpunkter till augusti 2017.
• Hållpunkt 2: ytterligare 150 laddpunkter till september 2018.
Laddgatorna kommer att utvärderas löpande och i april varje år kommer det kortsiktiga målet att antingen uppdateras eller behållas2.
Det passar inte att installera laddgator överallt i Stockholms stad. För att hjälpa aktörer med att anmäla intresse för laddgator har Sweco på uppdrag av Stockholms stad tagit fram ett kartunderlag3 där lämpliga platser har plockats fram. I detta kartunderlag är det främst platser för normalladdning som rekommenderas. Detta beror på att det är ett starkt politiskt mål att öka antalet normalladdare i Stockholms innerstad4. Stockholms stad har också ett långsiktigt mål för publik laddinfrastruktur:
Tillgång till publik laddinfrastruktur ska inte utgöra ett hinder för omställningen till en fossilo- beroende fordonsflotta[10].
Det långsiktiga målet beräknas innebära att Stockholms stad kommer behöva mellan 15 000 och 25 000 publika laddpunkter till år 2030. Prognosen anses dock vara osäker och bör revideras senast 2020 [10].
2Telefonintervju med Monica Fredriksson, Stockholms stad. 2018-01-12.
3Kartunderlag: http://194.71.132.77/utpekadeladdplatserkartan/
4Telefonintervju med Monica Fredriksson, Stockholms stad. 2018-01-12.
1.4.1 Laddinfrastruktur
Laddstationer är antingen publika eller icke-publika. De publika har allmänheten tillträde till och det är dessa som avhandlas i denna rapport. De icke-publika är i regel placerade vid bostaden eller vid arbetsplatsen och används av de boende eller de som arbetar på arbetsplatsen [11]. I Sverige har den svenska elbranschen via Svensk Energi, svenska bilbranschen via Bil Sweden och ledande laddstationstillverkare i Sverige ställt sig bakom att ladda enligt mode 3 med kontakter av typ 2 för laddning med AC. Det överensstämmer med EU:s laddstationsdirektiv. I samma direktiv bestäms det också att CCS är standard för snabbladdning [14].
För laddgator utrustade med normalladdning ställer avtalen krav på mode 3 med kontakter av typ 2. För snabbladdning gäller det att de ska vara utrustade med dagens tre standarder, se sektion 2.2.2. Utöver det gäller ett krav om driftsäkerhet som innebär att både normalladdning- och snabbladdningsstationerna ska vara i drift minst 90 % av tiden [15].
Laddgatorna är utrustade med ABB:s snabbladdare Terra 53 CJG och Garos normalladdare LS 4. Terra 53 CJG är utrustad med tre laddpunkter varav två är likström á 50 kW och en är växelström á 43 kW. Det går bara att använda en av likströmsladdpunkterna åt gången. Laddning med likström och växelström kan ske samtidigt vilket resulterar att den maximala effekten som snabbladdaren kan leverera är 93 kW. LS 4 har två laddpunkter per laddstation med effekter om 3,7-22 kW per laddpunkt beroende på vilken lösning kunden väljer.
Säkringen för laddgatorna är olika beroende på dess uppsättning av normal- och snabbladdare.
Det är vanligt med en lägre säkring för laddgator med endast normalladdare och en högre säkring då laddgatan består av en snabbladdare. Den högsta säkringen på de befintliga laddgatorna är 160 ampere, men det finns intresse att installera laddgator med högre säkring. Dock har det inte blivit av på grund av att aktörerna anser att kostnaden är för hög [15].
För att intensifiera utbyggnaden av laddinfrastruktur i Sverige har regeringen avsatt pengar för investeringar i laddinfrastruktur genom Klimatklivet5. För vårbudgeten 2015 avsattes totalt 125 miljoner kronor för klimatinvesteringar i kommuner och regioner samt för installation av laddinfrastruktur för elfordon. För åren 2016-2018 finns ytterligare 600 miljoner kronor avsatta [15].
1.5 Tidigare arbeten
Nedan redogörs för tidigare arbeten gjorda inom området publik laddning av laddbara fordon.
5Klimatklivet: http://www.naturvardsverket.se/klimatklivet
1.5.1 Kvalitativ användarstudie av publik laddning
Under september och oktober 2015 genomfördes en enkätundersökning för att ta reda på vilka användare som utnyttjar publika laddplatser i Stockholm och vad syftet med deras användning är. Det framgår från enkätundersökningen att normal- och snabbladdning uppfyller olika behov för olika användargrupper. För de som har möjlighet att ladda sitt elfordon vid hemmet är publik laddinfrastruktur ett komplement till den laddning som sker nattetid. Publik normalladdning vid parkeringsplatser där användarna ändå ska parkera anses vara ett bra sätt att bidra med fler el-mil i Stockholm. Publik snabbladdning för privat bruk är inte den främsta användningen idag och kommer heller inte vara det i framtiden. Det verkar som möjligheter för snabbladdning snarare är ett sätt att möjliggöra många el-mil för kommersiell trafik [15].
1.5.2 Kvantitativ analys av nyttjandet av publika laddplatser
Mellan det fjärde kvartalet i 2015 och det tredje kvartalet 2016 utförde Integrated Transport Research Lab på KTH6 en kvantitativ analys av publika normal- och snabbladdningsstationer i Stockholm. Totalt analyserades 7 snabbladdningsstationer och 253 normalladdningsstationer i publik miljö. Det framgår från analysen att den totala överförda energin för snabbladdnings- stationerna är lika stor som för normalladdningsstationerna. Det framgår också att position av publika laddplatser är av stor vikt. Skillnad mellan antal sessioner och överförd energi för den mest använda och den minst använda snabbladdningsstationen är ungefär en faktor fyra. För nor- malladdningsstationerna är faktorn ungefär 40. Det framgår också att för samtliga snabbladdare dominerar 10-30 min laddtid [16].
1.5.3 Fallstudie med avseende på e-mobilitet
Detta är ett arbete utfört på två områden norr om Lund för studier av förbrukning och effektut- tag där elbilsladdning appliceras på befintlig mätdata. Genom att göra detta och sedan simulera resultatet framgick det att elbilsladdning troligen inte kommer att innebära ett problem för låg- och mellanspänningsnätet. Utöver det uppskattas storleken på effekttoppar vid elbilsladdning med hjälp av Velanders metod. Velanders metod är ett tillvågagångssätt för att beräkna en kunds eller grupps högsta effektuttag under året utifrån kundens eller gruppens årliga energiför- brukning. I och med det ändrade förhållandet mellan energi och effekt som elbilsladdning medför är Velanders metod ej tillförlitlig. Det beror på att effekttopparna förändras mycket samtidigt som energiförbrukningen förändras mindre [17].
6KTH: Kungliga Tekniska Högskolan
2 Teori
2.1 Laddbara fordon
Definitionen av ett laddbart fordon är ett fordon med en eller flera elmotorer och ett eller flera batterier som kan laddas via en extern kabel från elnätet. Huvudsakligen finns det två olika typer av laddbara fordon [18].
• Laddhybrid
• Rent elfordon
2.1.1 Laddhybrid
En laddhybrid är utrustad med minst två stycken motorer, varav en är en förbränningsmotor och minst en motor är en elmotor. Huvudsakligen finns det två olika tekniker som hybridfordon delas upp i [18].
• Seriehybrid
Använder sig enbart av elmotorn för att driva fordonet vilket innebär att förbränningsmotorn vid behov genererar elektrisk energi till elmotorn. Utifall batterikapaciteten hos elmotorn är hög kan fordonet åka långa sträckor på ren el.
• Parallellhybrid
El- och förbränningsmotorn samverkar för att driva fordonet. Om batteriet tar slut driver förbränningmotorn fordonet istället.
2.1.2 Rent elfordon
Ett rent elfordon drivs endast av en eller flera elmotorer. Det är vanligast med en elmotor men det finns även modeller med flera elmotorer [18].
2.2 Laddning av laddbara fordon
Laddning av elfordon kan ske med olika laddningseffekter. Vid en högre effekt laddas bilen snabbare och vid en lägre effekt laddas bilen långsammare. Laddning delas vanligtvis in i två olika typer med olika effekter och ändamål.
• Normalladdning
• Snabbladdning
2.2.1 Normalladdning
Normalladdning är den typ av laddning som är vanligast. Normalladdning innebär att ett fordon laddas med en effekt om lägst 3,7 kW och högst 22 kW [19]. Normalladdning används i störst utsträckning i hemmet över natten eller på arbetsplatsen under dagen. De olika alternativen för normalladdning åskådliggörs i tabell 2.
Tabell 2: Vanliga alternativ för normalladdning.
Anslutning Spänning [V] Ström [A] Effekt [kW]
1-fas AC 230 10 2,3
1-fas AC 230 16 3,7
1-fas AC 230 32 7,4
3-fas AC 400 16 11
2.2.2 Snabbladdning
Snabbladdning innebär att ett fordon laddas med en effekt på mer än 22 kW enligt EU:s klas- sificering och innefattar även den typ av laddning vid benämning semisnabb laddning [19]. De olika alternativen för snabbladdning åskådliggörs i tabell 3.
Tabell 3: Vanliga alternativ för snabbladdning.
Anslutning Spänning [V] Ström [A] Effekt [kW]
3-fas AC 400 32 22
3-fas AC 400 63 43
DC 400 125 50
Det finns tre standarder för snabbladdare som beskrivs nedan.
• CHAdeMO7: Japansk standard som främst används av asiatiska bilmodeller. Vanligt för bilar med ladd 1-uttag.
• CCS8: EU-standard för snabbladdare. Vanlig för bilar med ladd 2-uttag.
• 43 kW AC: Endast kompatibel med Renault Zoe. Beskrivs utförligare i sektion 2.2.5.
2.2.3 Tesla supercharger
Tesla har utvecklat sin egna snabbladdare som bara är kompatibel med bilar från Tesla. De har en effekt om 130 kilowatt via en DC-anslutning med 400 V och 325 A.
7CHAdeMO: CHArge de MOve.
8CCS: Combined Charging System
2.2.4 Laddningsmoder
Laddningsmoder är de olika utföranden av anslutning till elnätet som förekommer vid laddning.
Det finns fyra olika moder varav 1, 2 och 3 är för växelström och 4 är för likström [20].
• Mode 1: Befintligt eluttag som inte är speciellt avsett för elfordon.
• Mode 2: Befintligt eluttag som inte är speciellt avsett för elfordon. Högre säkerhet än mode 1.
• Mode 3: Ladduttag speciellt avsett för elfordon. Säkraste varianten av elbilsladdning. Kom- munikationsmöjlighet mellan elfordon och laddstation vid laddning.
• Mode 4: Indirekt anslutning av elfordonet mot elnätet genom en fast installerad batte- riladdare utanför fordonet. Kommunikationsmöjlighet mellan elfordon och laddstation vid laddning.
2.2.5 Laddning med AC
Vid anslutning till växelström (AC) används bilens batteriladdare för att ladda batteriet. Laddut- taget innehåller en signalkrets som meddelar bilen hur mycket ström kontakten maximalt kan leverera innan säkringarna går. Batteriladdaren i alla elbilar klarar enfasladdning. Elbilar med större batterier brukar klara av trefasaladdning. Förenklat sett är en trefasladdare tre enfaslad- dare monterade bredvid varandra och av ekonomiska skäl är inte alla laddbara fordon utrustade med trefasladdning [21].
Renault Zoe har en annorlunda patenterad laddlösning. Strömmen matas från elkontakten rätt in i elmotorns lindningar. Med hjälp av bilens ordinarie växelriktare likriktas strömmen och batteriet kan laddas. En fördel med den här lösningen är att det inte behövs någon separat laddare i bilen vilket sparar kostnader. Maxeffekten är 43 kW men det är skonsammare för batteriet att ladda på medeleffekten 22 kW [22].
Majoriteten av de publika normalladdarna kan leverera höga strömstyrkor. Dock är den begrän- sande delen i överföringen laddaren i det laddbara fordonet. Exempelvis om ett laddbart fordon utrustad med en enfasladdare på 3,6 kilowatt ansluts till en laddstolpe på 22 kilowatt sker ladd- ningen med en effekt om 3,6 kilowatt [21].
Laddbara fordon kan laddas via vägguttag men också via ladduttag som är speciellt framtagna för laddning av elfordon. Det finns två typer av laddkontakter som passar till olika bilar.
• Typ 1: Äldre eller asiatiska bilar.
• Typ 2: Nyare eller europeiska bilar.
2.2.6 Laddning med DC
Vid anslutning till DC-laddning kopplas bilens inbyggda laddare förbi. Laddaren levererar likström som kopplas direkt till bilens batterier. Därför laddar en snabbladdare batterierna med den angivna effekten (i regel 50 kW). Det sker oberoende av vad bilens laddare klarar av eftersom den inte används. Däremot kan laddnivå och temperatur för bilens batterier innebära att snabbladdare måste sänka laddeffekten [21].
2.3 Batterier
Batteripaketen i moderna elbilar består av cirka hundra separata battericeller. Battericellerna seriekopplas i grupper för att öka spänningen. Grupperna parallellkopplas sedan för att öka max- strömmen som batteripaketen kan lämna [23].
Omgivningstemperaturen påverkar hur väl batterierna fungerar. Vid för höga temperaturer de- graderas batterierna snabbare. Det kan dels bero på högsommarvärme eller vid hög belastning så som leverans av höga strömstyrkor. De blir också varma vid laddning med höga strömstyrkor så som snabbladdning. För att kunna reglera dess temperatur är batterierna väl isolerade i alla moderna elbilar.
Det som avgör hur snabbt ett batteri kan laddas är batteritemperaturen och batteriets SOC9. Varma eller kalla batterier kan ej laddas lika snabbt som rumstempererade batterier utan att skadas. Batterier laddas snabbast vid SOC 0-80. När batterierna närmar sig fulladdat tillstånd ökar den inre resistansen och laddströmmen minskar i batterierna. Det görs för att undvika överhettning av batterierna. Det tar lika lång tid att ladda ett batteri från 0 till 80 procent som det tar att ladda de sista 20 procenten av batteriet [24].
2.4 Lastbalanseringssystem
Ett lastbalanseringssystem kan kommunicera med laddstationer för att sänka eller höja laddef- fekten baserat på hur mycket effekt som finns tillgängligt. Ett sätt att göra detta är att mäta upp den momentana effektförbrukningen och jämföra detta med dimensionering av huvudsäk- ringen. På så sätt kan det maximalt tillåtna effektuttaget till laddstationerna utan överbelastning beräknas och fördelas över alla bilar som är anslutna till laddstationerna [25].
I princip används bara mode 3 för lastbalansering. Det beror på att denna typ ger möjlighet till kommunikation mellan elfordon, laddstolpe och lastbalanseringssystem [26]. Lastbalanseringssy- stem möjliggör att vissa platser alltid laddar med högre effekt än övriga. För laddgator är det vanligt att snabbladdarna laddas med hög effekt på bekostnad av normalladdarnas effekt.
9SOC: State of Charge – procentuell andel av bilens batteri som är laddat
2.5 Sveriges elnät
Vid elöverföring från stora elproducenter till slutkund transporteras elen via olika kategorier av elnät. I Sverige delas elnätet in i tre kategorier: stamnät (transmissionsnät), region- respektive lokalnät(distributionsnät). Stamnätet transporterar stora mängder elektricitet över långa sträckor och håller en hög spänningsnivå (220 kV-400 kV) för att minimera förlusterna i överföringen. Re- gionnäten har en spänningsnivå mellan 20 kV och 130 kV och förenar stamnätet med lokalnäten, produktionsanläggningar och elintensiva industrier. Lokalnäten har en spänningsnivå på mellan 0,4 kV och 20 kV och överför elektricitet från regionnäten till slutkunder så som bostäder och lokaler. Det matats också in elektricitet från relativt småskalig elproduktion på lokalnäten [27].
Mellan stamnätet och regionnäten finns det transformatorer som transformerar ner spänningen från stamnätets spänningsnivåer till regionnätens spänningsnivåer. Det regionala distributions- nätverket är ihopkopplat med det lokala distributionsnätverket via fördelningsstationer som trans- formerar ner spänningen från 33-130 kV till 11-22 kV. Efter det steget transporteras elektriciteten vidare till nätstationer där spänningen transformeras ner till 420 V innan det distribueras vidare till konsumenterna på lokalnätet.
Nät och transformatorer dimensioneras med avseende på den skenbara effekten som transporteras genom dem enligt ekvation 1.
|S| =p
P2+ Q2= |P |
cos(θ) (1)
Där S är komplex effekt, Q är reaktiv effekt, P är aktiv effekt och cos(θ) är effektfaktor.
Absolutbeloppet för S är skenbar effekt och är det som används i detta examensarbete vid uträkningar.
Ett sätt att mäta förhållandet mellan den aktiva och skenbara effekten är via effektfaktorn cos(θ).
För snabbladdningsstationerna Terra 53 CJG och Terra HP är cos(θ) 0,96 respektive 0,99 [28]
och är de värdena som används i detta examensarbete.
2.6 Sammanlagring
Inom eldistribution är sammanlagring en benämning på fenomenet att maximibelastningen från ett antal elabonnenter är mindre än summan av deras största uttag [29]. Vid dimensionering av distributionselnätet är det av intresse att estimera topplasten för hela systemet. Vid estimering är det inte tillräckligt att veta den maximala lasten hos varje konsument. Det är inte troligt att topplasterna för de individuella lasterna sammanfaller tidsmässigt. Därför kommer den totala topplasten att bli mindre än summan av alla individuella topplaster. Topplasten för en grupp konsumenter definieras av den last som kommer överstigas med en låg sannolikhet.
Två metoder som är vanligt förekommande vid lastprognoser är Velanders metod och lastpro-
gnoser baserade på typkurvor för laster. De beskrivs utförligare i Evaluation of two peak load forecasting methods used at Fortum[30].
2.7 Nätstation
En nätstation är en ljusbågstestad och typtestad enhet bestående av ett hölje med mellanspän- ningsställverk, lågspänningsställverk, distributionstransformatorer, anslutningar samt hjälputrust- ning som genererar lågspänningsel från mellanspänningssystem [31]. Nätstationen transformerar ner spänningen från 11 kV eller 22 kV till 0,4 kV. Ellevios nätstationer i Stockholm använder sig av en delta-Y-koppling.
2.8 Fördelningsstation
Fördelningsstationen transformerar ner spänningen från 140 kV till 11 kV eller 22 kV. Den är utrustad med ett ställverk för inkommande ledningar, en transformator och ett ställverk för utgående ledningar samt tillhörande utrustning.
2.9 Markkabel
På grund av tekniska och ekonomiska anledningar används kablar nedgrävda i sand i Stockholm istället för luftledningar.
Belastbarheten för markkablar anges i Ampere. För beräkning av belastning på markkablar i mellanspänningsnätet från laddgator eller laddstationer på lågspänningsnätet används följande ekvation:
|I| = |S|
|V | ∗√
3 (2)
Där I motsvarar den belastande strömmen från laddgator eller laddstationer på markkablarna.
S är den skenbara effekten som laddgator eller laddstationer drar från lågspänningsnätet. V är spänningsnivån på mellanspänningsnätet.
3 Metod
Metod och avgränsningar som har tillämpats för detta examensarbete redogörs för nedan.
3.1 Val av laddplatser
Den ursprungliga idén var att genomföra en analys på de befintliga laddgatorna. Det var inte genomförbart eftersom de inte hade tillräckligt med timdata. Istället används fem platser med snabbladdningsstationer för analysen. Stationerna är utrustade med samma typ av snabbladdare10 som laddgatorna.
Även fast det är normalladdare som främst kommer installeras på de framtida laddgatorna fo- kuserar detta examensarbete på snabbladdning. Dels för att informationen om att det främst var normalladdare som skulle installeras kom efter att analysen hade påbörjats. Dels för att en laddgata med både normal- och snabbladdare lastbalanseras för att snabbladdarna ska kunna le- verera hög effekt vid behov. Därför bör laddgator med snabb- och normalladdare ge ett liknande beteende gällande effekttoppar som snabbladdningsstationerna.
Laddgatorna har placerats och kommer placeras i Stockholms innerstadsområde. Därför väljs snabbladdningsstationer som är placerade på liknande platser för analysen. De olika snabbladd- ningsstationerna redogörs för nedan.
• Snabbladdningsstation 1: I Stockholms innerstadsområde.
• Snabbladdningsstation 2: I Stockholms innerstadsområde.
• Snabbladdningsstation 3: I Stockholms innerstadsområde.
• Snabbladdningsstation 4: Strax utanför Stockholms innerstadsområde.
• Snabbladdningsstation 5: I Stockholms innerstadsområde.
3.1.1 Laddningsbeteende för snabbladdningsstationer
Med hjälp av timdata går det att ta reda på under vilka timmar som snabbladdningsstationer främst används. Det ger en antydan om när sammanlagring kan inträffa. I figur 5 åskådliggörs de timmar då energi har överförts från fem snabbladdningsstationer till laddbara fordon i Stockholms stad och med vilken frekvens det sker. Det är medelvärdet över alla dygn under den analyserade tidsperioden. Eftersom snabbladdningsstationer drar lite effekt på tomgång sattes 1 kW som en undre gräns för att ge utslag för varje timme.
10Terra 53 CJG
Figur 5: Laddningsbeteende för snabbladdningsstationer i Stockholms stad. LS 1 står för Ladd- station 1, LS 2 står för Laddstation 2, LS 3 står för Laddstation 3, LS 4 står för Laddstation 4 och LS 5 står för Laddstation 5.
3.2 Val av tidsperiod
Tidsperioden som analyseras är 2016-04-04 – 2017-04-02. Den tidsperioden används eftersom en av snabbladdningsstationerna inte fungerade korrekt innan april 2016.
3.3 Datahantering
Timdatan från snabbladdningsstationerna är överförd energi per timme (kWh/h). Eftersom de tidpunkter under det analyserade året då effekttoppar kan uppstå är av intresse konverteras data från överförd energi per timme (kWh/h) till uppnådd maxeffekt per timme (kW/h) med hjälp av ett MATLAB-script, se Appendix. För att kunna genomföra detta gäller det att vissa antaganden och begränsningar fastställs vilka redogörs för i avsnitt 3.3.1.
3.3.1 Antaganden och begränsningar
Nedan listas de antaganden och begränsningar som används för att kunna konvertera timdatan från kWh/h till kW/h.
• En laddning av en elbil genomförs med hög effekt á 50 kW.
• En laddning av två elbilar samtidigt genomförs med hög effekt á 93 kW.
• Minsta tiden för en laddning är 10 min.
• Längsta tiden för en laddning är 30 min.
De två inledande antagandena bygger dels på en undersökning gjord av SELF-i11 och dels på de maximala effekter som Terra 53 CJG kan leverera till en eller två elbilar samtidigt. I under- sökningen Användarnas beteende och syn på laddbara bilar framkommer det att 75 % av de tillfrågade känner sig komfortabla med att utnyttja upp mot 80 % eller mer av bilbatteriet vid en enskild resa [32]. Därför antas det att de bilar som laddas gör det med en SOC på 10–80 % och således med en hög effekt.
De två avslutande antagandena bygger på en rapport gjord av Integrated Transport Research Lab på KTH som redogörs för i sektion 1.5.2. Ur den rapporten framgår det att för samtliga snabbladdare dominerar 10–30 min laddtid [16].
Med hjälp av dessa fyra antaganden kan begränsningar sättas för det MATLAB-script som använ- des för konvertering av timdata från kWh till kW. Dessa begränsningar listas nedan. Uträkningar för gränsvärden finns i Appendix.
• Överförd energi vid laddning av en bil i 10 min är 8,33 kWh.
• Överförd energi vid laddning av en bil i 30 min är 25 kWh.
• Effekt allokeras på den timme med mest överförd energi vid två efterföljande timvärden ifall summan är i spannet 8,33–25 kWh.
Timdatan är överförd energi per timme. Det medför att det inte går att veta ifall den överförda energin för två laddningstimmar i följd är en laddningssession eller inte. Därför antas det att två efterföljande timvärden vars summa är i spannet 8,33–25 kWh är en laddningssession. Vid sådant fall allokeras ett högt effektuttag på den timme då mest energi överförs.
25 kWh används som en övre gräns eftersom det bara finns modeller från Tesla som har tillräckligt stora batterier för att kunna ladda mer än 25 kWh under en laddsession. I denna rapport bortses det från fall då en Teslamodell kan ha stått och laddat under en längre tid än 30 min med hög effekt.
3.4 Scenarion för nutid och 2030
Nedan redogörs för de scenarion som används vid beräkningar för nutid och för 2030. För nu- tidsberäkningar används den konverterade timdatan från snabbladdningsstationerna samt ett worst-case-scenario. Worst-case-scenariot innebär att laddning sker mellan klockan 8-21 varje dygn med en maxeffekt om 110 kW. Den effekten väljs eftersom den högsta säkringen för de befintliga laddgatorna utrustade med snabbladdare är på 160 A. De timmarna väljs eftersom det är under dessa timmar energi överförs med en frekvens högre än 20 % från snabbladdningssta- tionerna enligt figur 5.
11SELF-i: Svensk Enkät Laddbara Fordon - Inledning
För 2030 används ett låglast-, mellanlast- och höglastfall. Laddning sker mellan klockan 8-21 för alla tre fallen. Låglastfallet bygger på snabbladdare som redan är på väg in på marknaden med maxeffekt om 160 kW [33]. Mellanlastfallet bygger på ett fall i Stocholms innerstad då en aktör ville ha en säkringsnivå om 320 A, men valde att ändra sig till 160 A av kostnadsskäl [10].
Höglastfallet bygger på snabbladdare som har tekniken för att leverera maxeffekt om 350 kW [33].
Det resulterar i fem olika fall som redogörs för nedan. De två första fallen är för nutid och de tre sista är för år 2030.
• Fall 1: Timdata konverteras från kWh/h till kW med hjälp av MATLAB-script med effekter om 50 kW och 93 kW. Motsvarar en snabbladdningsstation med möjlighet för laddning av två laddpunkter samtidigt.
• Fall 2: Worst-case-scenario där laddning sker varje timme mellan 8–21 med effekt om 110 kW. Motsvarar en laddgata med både snabb- och normalladdare där tre laddbara fordon laddar samtidigt.
• Fall 3: Worst-case-scenario där laddning sker varje timme mellan 8–21 med effekt om 160 kW. Motsvarar en snabbladdningsstation med en laddpunkt.
• Fall 4: Worst-case-scenario där laddning sker varje timme mellan 8–21 med effekt om 222 kW. Motsvarar en laddgata med både snabb- och normalladdare där fem laddbara fordon laddar samtidigt.
• Fall 5: Worst-case-scenario där laddning sker varje timme mellan 8–21 med effekt om 350 kW. Motsvarar en snabbladdningsstation med en laddpunkt.
För fall 1 och 2 omvandlas kW till kVA med hjälp av ekvation 1 där power factor är 0,96 och hämtas ur produktbladet för Terra 53 CJG [28]. Samma ekvation används för fall 3, 4 och 5 men med power factor 0,99 och hämtas ur produktbladet för Terra HP [33].
3.5 Beräkning på nätstationer
Ellevio har tillgång till timdata från sina nätstationer. Eftersom laddgatorna kommer placeras i Stockholms innerstad används nätstationer i Stockholms innerstad vid beräkningarna. Den senaste perioden med timdata som finns att tillgå är ifrån 2015-04-06 – 2016-03-06. Timdatan från snabbladdningsstationerna är från ett annat år. Därför justeras datumen så att starttimmen blir den första timmen från den första måndagen i april för de två åren. Nätstationerna som används och deras belastningsgräns åskådliggörs i tabell 4.
Tabell 4: Belastningsgränsen för varje nätstation.
Benämning av nätstationer Belastningsgräns [kVA]
Nätstation 1 1120
Nätstation 2 2000
Nätstation 3 1120
Nätstation 4 1120
Enheten för timdatan från nätstationerna är den maximala skenbara effekten per timme (kVA/h).
Vid beräkning adderas de olika fallen på den befintliga timdatan från nätstationerna. När nät- stationen blir överbelastad avbryts beräkningen.
3.6 Beräkning på mellanspänningsnätet
Beräkning på mellanspänningsnätet sker på tre slingor. De tre slingorna väljs utifrån Stockholms stads kartunderlag för laddgator. De tre platserna som väljs är de platser där det rekommenderas att installera laddgator med snabbladdare. De närmsta nätstationerna till de tre platserna loka- liseras med hjälp av Power Grid12. Ur driftscheman och Power Grid lokaliseras vilka fack från fördelningsstationen som matar nätstationen. De slingor som används listas nedan.
• Slinga 1 – fack 1 och 2 från fördelningsstation 1 till nätstation 5.
• Slinga 2 – fack 3 och 4 från fördelningsstation 1 till nätstation 6.
• Slinga 3 – fack 1 och 2 från fördelningsstation 2 till nätstation 7.
Sedan hämtas timdata från dessa fack från HIS13. Timdata utgörs av den högst belastande strömmen under varje timme och mäts i Ampere.
3.6.1 Tillvägagångssätt
Timdatan används för att undersöka hur mycket det går att installera för de olika fallen innan kablarna i en slinga blir överbelastade. Det ska råda redundans i Ellevios nät och således adderas timvärdena från de två olika facken i en slinga. I Ellevios nät är de vanligaste flaskhalsarna Cu 9514-kablar och Al 15015. Det pågår redan ett arbete med att byta ut de kablarna mot Al 24016- kablar. Därför har det satts två överbelastningsgränser. En för Cu 95-kablar och Al 150-kablar och en för Al 240-kablar. Belastbarheten för Cu 95-, Al 150- och Al 240-kablar åskådliggörs i tabell 5. Tidsperioden är samma som för snabbladdningsstationerna (2016-04-04 – 2017-04-02).
Tabell 5: Typ av kabel och dess belastbarhet.
Typ av kabel Belastbarhet [A]
Cu 95 260
Al 150 260
Al 240 350
12Power Grid är ett GIS- och NIS-program som Ellevio använder för att lagra information och för att genomföra beräkningar på sitt elnät.
13HIS är ett informationssystem som Ellevio använder för att bland annat lagra belastningen för olika fack på fördelningsstationer.
14Kopparkabel med 95 mm2 i area.
15Aluminiumkabel med 150 mm2 i area.
16Aluminiumkabel med 240 mm2 i area.
Datan för de olika fallen konverteras till ampere enligt ekvation 2 och adderas sedan på timdatan från HIS fram tills att slingan blir överbelastad och då avbryts beräkningen och resultatet noteras.
4 Resultat
Nedan presenteras resultaten för detta examensarbete. Först redogörs resultaten för beräkning- arna på nätstationer och sedan resultaten för beräkningar på slingorna.
4.1 Beräkning på nätstationer
I tabell 6 åskådliggörs den maximala belastningen utan adderade snabbladdningsstationer och när den inträffade för varje nätstation. Detta för att kunna jämföra när överbelastning i form av adderade snabbladdningsstationer inträffar.
Tabell 6: Maximal belastning av nätstationer under 2015-04-06 – 2016-03-06.
Maxeffekt [kVA] Datum Tidpunkt
Nätstation 1 812 2016-01-19 13:00:00
Nätstation 2 1643 2016-01-20 17:00:00
Nätstation 3 771 2016-01-18 18:00:00
Nätstation 4 736 2015-12-01 13:00:00
Resultaten för fall 1 presenteras i sin helhet med tabeller och figurer för varje nätstation. För resterande fall presenteras resultaten för Nätstation 1 i sin helhet med figurer och tabeller medan resultaten för övriga nätstationer presenteras endast i tabellform. LS står för laddstation och innebär snabbladdningsstationer. LG står för laddgator.
4.1.1 Fall 1
Timdata konverteras från kWh/h till kW med hjälp av MATLAB-script med effekter om 50 kW och 93 kW. Motsvarar en snabbladdningsstation med möjlighet för laddning av två laddpunkter samtidigt.
I tabell 7 åskådliggörs vid hur många installerade snabbladdningsstationer som överbelastning inträffar för varje nätstation. I tabell 8 åskådliggörs den maximala överbelastningen och när den inträffar vid adderade snabbladdningsstationer på den befintliga lasten för nätstationerna.
Tabell 7: Antal snabbladdningsstationer för överbelastning av nätstationerna under 2016-04-04 – 2017-04-02.
LS 1 LS 2 LS 3 LS 4 LS 5 Totalt
Nätstation 1 2 1 1 1 1 6
Nätstation 2 2 2 1 1 1 7
Nätstation 3 2 1 1 1 1 6
Nätstation 4 2 2 1 1 1 7
Tabell 8: Tidpunkt och storlek för överbelastning av nätstationerna under 2015-04-06 – 2016- 03-06.
Maxeffekt [kVA] Datum Tidpunkt
Nätstation 1 1129 2016-01-13 13:00:00
Nätstation 2 2032 2016-01-14 13:00:00
Nätstation 3 1125 2016-03-01 12:00:00
Nätstation 4 1180 2015-12-15 11:00:00
I figur 6 åskådliggörs lasten vid addition av snabbladdningsstationer för hela perioden och i figur 7 åskådliggörs den vecka då överbelastning sker för Nätstation 1. I figur 8 åskådliggörs lasten vid addition av snabbladdningsstationer för hela perioden och i figur 9 åskådliggörs den vecka då överbelastningen sker för Nätstation 2.
I figur 10 åskådliggörs lasten vid addition av snabbladdningsstationer för hela perioden och i figur 11 åskådliggörs den vecka då överbelastningen sker för Nätstation 3. I figur 12 åskådliggörs lasten vid addition av snabbladdningsstationer för hela perioden och i figur 13 åskådliggörs den vecka då överbelastningen sker för Nätstation 4.
Figur 6: Fall 1 - Nätstation 1 under 2015-04-06 – 2016-03-06.
Figur 7: Fall 1 - Nätstation 1 under den vecka då överbelastning inträffar.
För Nätstation 1 sker överbelastningen under en vecka då nätstationen är tungt belastad. Top- parna för lasten på nätstationen utan adderade snabbladdningsstationer (svart linje) är nästan lika stor som den maximala skenbara effekten under 2015-04-06 – 2016-03-06 (gul linje) i figur 7. Överbelastningen sker 2016-01-13 kl 13:00:00. Det framgår också ur figur 7 att det är två till toppar som är nära belastningsgränsen för nätstationen.
Figur 8: Fall 1 - Nätstation 2 under 2015-04-06 – 2016-03-06.
Figur 9: Fall 1 - Nätstation 2 under den vecka då överbelastning inträffar.
För Nätstation 2 sker överbelastningen under en vecka då nätstationen är tungt belastad. Top- parna för lasten på nätstationen utan adderade snabbladdningsstationer (svart linje) är nästan lika stor som den maximala skenbara effekten under 2015-04-06 – 2016-03-06 (gul linje) i figur 9. Den största överbelastningen sker 2016-01-14 kl 13:00:00. Det framgår också ur 9 att det sker ytterligare en överbelastning under denna vecka.
Figur 10: Fall 1 - Nätstation 3 under 2015-04-06 – 2016-03-06.
Figur 11: Fall 1 - Nätstation 3 under den vecka då överbelastning inträffar.
För Nätstation 3 sker överbelastningen under en vecka då nätstationen är tungt belastad. Top- parna för lasten på nätstationen utan adderade snabbladdningsstationer (svart linje) är nästan lika stor som den maximala skenbara effekten under 2015-04-06 – 2016-03-06 (gul linje) i figur 11. Överbelastningen sker 2016-03-01 kl 12:00:00.
Figur 12: Fall 1 - Nätstation 4 under 2015-04-06 – 2016-03-06.
Figur 13: Fall 1 - Nätstation 4 under den vecka då överbelastning inträffar.
För Nätstation 4 sker överbelastningen under en vecka då nätstationen är tungt belastad. Top- parna för lasten på nätstationen utan adderade snabbladdningsstationer (svart linje) är nästan lika stor som den maximala skenbara effekten under 2015-04-06 – 2016-03-06 (gul linje) i figur 13. Den största överbelastningen sker 2015-12-15 klockan 11:00:00. Nätstationen överbelastas ytterligare två gånger under denna vecka.
För fall 1 framgår det att snabbladdningsstationerna används under samma tid på dygnet som nätstationerna är tungt lastade. Det vill säga mitt på dagen under vardagar. Det framgår också att det är under vinterhalvåret som överbelastningen sker. För alla nätstationer förutom Nätstation 3 sker överbelastningen inom loppet av två veckor från den tidpunkt då nätstationerna är som mest lastade utan addition av snabbladdningsstationer.
4.1.2 Fall 2
Worst-case-scenario där laddning sker varje timme mellan 8–21 med effekt om 110 kW. Motsvarar en laddgata med både snabb- och normalladdare där tre laddbara fordon laddar samtidigt.
I tabell 9 åskådliggörs vid hur många laddgator nätstationerna blir överbelastade och med vilken effekt det sker samt när det inträffar.
Tabell 9: Antal laddgator för överbelastning, storleken på effekt och tidpunkten för överbelast- ningen under 2015-04-06 – 2016-03-06.
LG Maxeffekt [kVA] Datum Tidpunkt
Nätstation 1 3 1155 2016-01-19 13:00:00
Nätstation 2 4 2101 2016-01-20 17:00:00
Nätstation 3 4 2032 2016-01-18 18:00:00
Nätstation 4 4 1125 2015-12-01 13:00:00
I figur 14 åskådliggörs lasten vid addition av laddgator under 2015-04-06 - 2016-03-06 och i figur 15 åskådliggörs den vecka då överbelastning sker för Nätstation 1.
Figur 14: Fall 2 - Nätstation 1 under 2015-04-06 – 2016-03-06.
Figur 15: Fall 2 - Nätstation 1 under den vecka då överbelastning inträffar.
4.1.3 Fall 3
Worst-case-scenario där laddning sker varje timme mellan 8–21 med effekt om 160 kW. Motsvarar en snabbladdningsstation med en laddpunkt.
I tabell 10 åskådliggörs vid hur många snabbladdningsstationer nätstationerna blir överbelastade och med vilken effekt det sker samt när det inträffar.
Tabell 10: Antal laddgator för överbelastning, storleken på effekt och tidpunkten för överbelast- ningen under 2015-04-06 – 2016-03-06.
LS Maxeffekt [kVA] Datum Tidpunkt
Nätstation 1 2 1135 2016-01-19 13:00:00
Nätstation 2 3 2128 2016-01-20 17:00:00
Nätstation 3 3 1256 2016-01-18 18:00:00
Nätstation 4 3 1221 2015-12-01 13:00:00
I figur 16 åskådliggörs lasten vid addition av laddgator under 2015-04-06 – 2016-03-06 och i figur 17 åskådliggörs den vecka då överbelastning sker för Nätstation 1.
Figur 16: Fall 3 - Nätstation 1 under 2015-04-06 – 2016-03-06.
Figur 17: Fall 3 - Nätstation 1 under den vecka då överbelastning inträffar.
4.1.4 Fall 4
Worst-case-scenario där laddning sker varje timme mellan 8–21 med effekt om 222 kW. Motsvarar en laddgata med både snabb- och normalladdare där fem laddbara fordon laddar samtidigt.
I tabell 11 åskådliggörs vid hur många laddgator nätstationerna blir överbelastade och med vilken effekt det sker samt när det inträffar.
Tabell 11: Antal laddgator för överbelastning, storleken på effekt och tidpunkten för överbelast- ningen under 2015-04-06 – 2016-03-06.
LG Maxeffekt [kVA] Datum Tidpunkt
Nätstation 1 2 1276 2016-01-19 13:00:00
Nätstation 2 2 2108 2016-01-20 17:00:00
Nätstation 3 2 1236 2016-01-18 18:00:00
Nätstation 4 2 1201 2015-12-01 13:00:00
I figur 18 åskådliggörs lasten vid addition av laddgator under 2015-04-06 – 2016-03-06 och i figur 19 åskådliggörs den vecka då överbelastning sker för Nätstation 1.
Figur 18: Fall 4 - Nätstation 1 under 2015-04-06 – 2016-03-06.
Figur 19: Fall 4 - Nätstation 1 under den vecka då överbelastning inträffar.
4.1.5 Fall 5
Worst-case-scenario där laddning sker varje timme mellan 8–21 med effekt om 350 kW. Motsvarar en snabbladdningsstation med en laddpunkt.
I tabell 12 åskådliggörs vid hur många laddgator nätstationerna blir överbelastade och med vilken effekt det sker samt när det inträffar.
Tabell 12: Antal laddgator för överbelastning, storleken på effekt och tidpunkten för överbelast- ningen under 2015-04-06 – 2016-03-06.
LS Maxeffekt [kVA] Datum Tidpunkt
Nätstation 1 1 1165 2016-01-19 13:00:00
Nätstation 2 2 2350 2016-01-20 17:00:00
Nätstation 3 1 1125 2016-01-18 18:00:00
Nätstation 4 2 1443 2015-12-01 13:00:00
I figur 20 åskådliggörs lasten vid addition av laddgator under 2015-04-06 – 2016-03-06 och i figur 21 åskådliggörs den vecka då överbelastning sker för Nätstation 1.
Figur 20: Fall 5 - Nätstation 1 under 2015-04-06 – 2016-03-06.
Figur 21: Fall 5 - Nätstation 1 under den vecka då överbelastning inträffar.
För fall 2, fall 3, fall 4 och fall 5 sammanfaller överbelastningen av varje nätstation med dess maximala belastning utan addition av snabbladdningsstationer eller laddgator. Detta eftersom de fyra worst-case-scenarierna adderar en last under samma timmar på dygnet som nätstationerna är tungt lastade. För fall 5 blir Nätstation 1 och Nätstation 3 överbelastade av en snabbladd- ningsstation á 350 kW. För fall 4 blir samtliga nätstationer överbelastade av två laddgator á 230 kW.
4.2 Beräkning på slingor
I tabell 13 presenteras den maximala belastningen utan adderade snabbladdningsstationer för slingorna samt när den inträffade. Detta för att kunna jämföra när överbelastningen i form av adderade snabbladdningsstationer eller laddgator inträffar.
Tabell 13: Maximal belastning av slingorna under 2016-04-04 – 2017-04-02.
Maxström [A] Datum Tidpunkt Slinga 1 73,36 2017-01-17 15:00:00 Slinga 2 166,29 2016-12-13 20:00:00 Slinga 3 110,48 2017-01-17 12:00:00
Nedan redogörs resultaten för Slinga 1, Slinga 2 och Slinga 3. Slinga 2 saknar timdata från
timme 0 till timme 5100 i HIS vilket framgår ur figur 24.
Fall 1 presenteras i sin helhet med tabeller och figurer för varje slinga. Fall 2, fall 3, fall 4 och fall 5 presenteras i tabellform. LS står för laddstation och innebär snabbladdningsstationer. LG står för laddgator.
4.2.1 Fall 1
Timdata konverteras från kWh/h till kW med hjälp av MATLAB-script med effekter om 50 kW och 93 kW. Motsvarar en snabbladdningsstation med möjlighet för laddning av två laddpunkter samtidigt.
I tabell 14 åskådliggörs vid hur många installerade snabbladdningsstationer som överbelastning inträffar för slingorna. Slinga 1 har flaskhalsar i form av Cu-95- och Al-150-kablar som redovisas inom parentes. Slinga 3 har flaskhalsar i form av Cu-95-kablar som redovisas inom parentes.
Övriga värden gäller för överbelastning av Al 240-kablar.
Tabell 14: Fall 1 - Antal snabbladdningsstationer för överbelastning av slingorna under 2016-04- 04 – 2017-04-02.
LS 1 LS 2 LS 3 LS 4 LS 5 Totalt
Slinga 1 15 (11) 15 (10) 15 (10) 14 (10) 14 (10) 73 (41)
Slinga 2 12 12 11 11 11 57
Slinga 3 14(9) 13(9) 13(9) 13(8) 13(8) 66 (43)
I tabell 15 åskådliggörs den maximala överbelastningen och när den inträffar vid adderade snabb- laddningsstationer på den befintliga lasten för slingorna. Likt i tabell 14 redovisas värden för flaskhalsar i form av Cu 95- eller Al 150-kablar inom parentes för Slinga 1 och Slinga 3. För Slinga 3 överbelastas kablarna vid olika tillfällen beroende på om det är Cu 95- eller Al 240- kablar. Tidpunkten inom parentes gäller för när Cu 95-kablarna blir överbelastade. För Slinga 1 sker överbelastningarna vid samma tidpunkt och det är den enda tidpunkten som åskådliggörs.
Tabell 15: Fall 1 - Tidpunkt och storlek för överbelastning av slingorna under 2016-04-04 – 2017-04-02.
Maxström [A] Datum Tidpunkt
Slinga 1 354,86 (261,8) 2016-06-07 14:00:00
Slinga 2 351,7 2016-12-15 14:00:00
Slinga 3 350,35 (260,80) 2016-06-07 (2016-12-15) 14:00:00 (14:00:00)
Figur 22: Fall 1 - Slinga 1 under 2016-04-04 – 2017-04-02.
Figur 23: Fall 1 - Slinga 1 under den vecka då överbelastning inträffar.
För Slinga 1 sker överbelastningen 2016-06-07 klockan 14:00:00. Ur figur 23 framgår det att slingan inte är tungt belastad under den vecka då överbelastningen sker. Den främsta anledning- en till överbelastningen är en stor sammanlagrande effekttopp från snabbladdningsstationerna.
Det är den enda stora effekttoppen under den vecka då överbelastningen inträffar. Överbelast- ningen för Cu 95- och Al 150-kablarna sker vid 41 installerade snabbladdningsstationer och överbelastningen för Al 240-kablarna sker vid 73 installerade snabbladdningsstationer.
Figur 24: Fall 1 - Slinga 2 under 2016-04-04 – 2017-04-02.
Figur 25: Fall 1 - Slinga 2 under den vecka då överbelastning inträffar.
För Slinga 2 sker överbelastningen 2016-12-15 klockan 14:00:00. Ur figur 25 framgår det att slingan är tung belastad under den vecka då överbelastningen inträffar. Att slingan är tungt belastad tillsammans med en stor sammanlagrande effekttopp är de främsta anledningarna till överbelastningen. Det sker flertalet stora effekttoppar under den vecka då överbelastningen in- träffar. Överbelastningen för Al 240-kablarna sker vid 57 installerade snabbladdningsstationer.
Figur 26: Fall 1 - Slinga 3 under 2016-04-04 – 2017-04-02.
Figur 27: Fall 1 - Slinga 3 under den vecka då överbelastning inträffar.
För Slinga 3 sker överbelastningen 2016-06-07 klockan 14:00:00. Ur figur 27 framgår det att slingan inte är tungt belastad under den vecka då överbelastningen sker. Den främsta anledningen till överbelastningen är en stor sammanlagrande effekttopp från snabbladdningsstationerna. Det är den enda stora effekttoppen under den vecka då överbelastningen inträffar. Överbelastningen för Cu 95-kablarna sker vid 43 installerade snabbladdningsstationer och överbelastningen för Al 240-kablarna sker vid 66 installerade snabbladdningsstationer.
Ur fall 1 framgår det att det är två toppar från sammanlagringen av lasten från snabbladdnings- stationerna som bidrar till överbelastningarna. Det går att utläsa att toppen i Juni som bidrar till överbelastningen kommer själv ur figur 23 och figur 27. Det skiljer nästan 150 ampere mellan den överbelastande toppen och den näst största toppen för dessa fall. För toppen i december är det flertal tidpunkter under samma vecka som är tungt belastade, se figur 25. Dock fanns det inte timdata från HIS att tillgå för juni för Slinga 2 vilket kan bidra till att det sker en överbelastning i december istället.
Ur figur 22, figur 24 och figur 26 framgår det att även fast toppen som förekommer i juni är den största bidragande faktorn till överlasten för Slinga 1 och Slinga 3 så är slingorna som mest belastade i slutet av tidsperioden, det vill säga vinterhalvåret. Skulle man bortse från toppen i juni skulle Slinga 1 och Slinga 3 med stor sannolikhet blivit överbelastade vid en liknande tidpunkt som Slinga 2.
4.2.2 Fall 2
Worst-case-scenario där laddning sker varje timme mellan 8–21 med effekt om 110 kW. Motsvarar en laddgata med både snabb- och normalladdare där tre laddbara fordon laddar samtidigt.
Tabell 16: Fall - Tidpunkt och storlek för överbelastning under 2016-04-04 – 2017-04-02.
LG Maxström[A] Datum Tidpunkt
Slinga 1 46(32) 350,01 (265,81) 2017-01-17 15:00:00
Slinga 2 31 352,73 2016-12-13 20:00:00
Slinga 3 40(25) 351,04 (260,83) 2017-01-17 12:00:00
4.2.3 Fall 3
Worst-case-scenario där laddning sker varje timme mellan 8–21 med effekt om 160 kW. Motsvarar en snabbladdningsstation med en laddpunkt.
Tabell 17: Fall 3 - Tidpunkt och storlek för överbelastning under 2016-04-04 – 2017-04-02.
LS Maxström[A] Datum Tidpunkt
Slinga 1 33(23) 353,29(268,47) 2017-01-17 15:00:00
Slinga 2 22 352,91 2016-12-13 20:00:00
Slinga 3 29(18) 356,47(263,16) 2017-01-17 12:00:00
4.2.4 Fall 4
Worst-case-scenario där laddning sker varje timme mellan 8–21 med effekt om 222 kW. Motsvarar en laddgata med både snabb- och normalladdare där fem laddbara fordon laddar samtidigt.
Tabell 18: Fall 4 - Tidpunkt och storlek för överbelastning under 2016-04-04 – 2017-04-02.
LG Maxström[A] Datum Tidpunkt
Slinga 1 23(16) 353,82(268,47) 2017-01-17 15:00:00
Slinga 2 16 361,39 2016-12-13 20:00:00
Slinga 3 20(13) 354,35(268,99) 2017-01-17 12:00:00
4.2.5 Fall 5
Fall 5: Worst-case-scenario där laddning sker varje timme mellan 8–21 med effekt om 350 kW.
Motsvarar en snabbladdningsstation med en laddpunkt.
Tabell 19: Fall 5 - Tidpunkt och storlek för överbelastning under 2016-04-04 – 2017-04-02.
LS Maxström[A] Datum Tidpunkt
Slinga 1 15(11) 351,7(277,48) 2017-01-17 15:00:00
Slinga 2 10 351,85 2016-12-13 20:00:00
Slinga 3 13(9) 351,7(277,48) 2017-01-17 12:00:00
För fall 2, fall 3, fall 4 och fall 5 sammanfaller tidpunkten för överlast för slingorna med den mest belastade tidpunkten utan addition av snabbladdningsstationer eller laddgator. Den slinga som har minst möjlighet att belastas med laddgator eller snabbladdningsstationer är Slinga 2 som för fall 5 blir överbelastad av tio snabbladdningsstationer á 350 kW.
