Energy and Cost Efficient Electric Vehicle Charging Solutions for Residential and Commercial Buildings

Abstract

The demand for charging electric vehicles in residential and commercial buildings grows as the number of electric vehicles increases. In October 2020, the Parliament of Finland agreed on a new law requiring every condominium and non-residential property to invest in electric vehicle charging by 2025 if the site undergoes extensive renovation work or a completely new site is built. This new law is expected to add tens of thousands of new electric vehicle charging points to Finland. There are several of energy- and cost-effective charging solutions for consumers, housing associations, and businesses available in the market. The challenge is to understand what to choose, where, and why. The objective of this thesis is to clarify which features make an electric vehicle charging system energy and cost-efficient. This work focuses on residential and commercial properties as multi-device systems will primarily be the ones to challenge local electrical systems and the carrying capacity of a low-voltage network. As a preliminary review for the empirical part, the theoretical part focused on the existing charging technology, requirements, and the Finnish market conditions. The work also sought to clarify how much different energy and cost-efficient charging systems cost and what creates the largest cost-share in the investment. The results of the study show that factors affecting energy and cost efficiency include the age of the building, the heating system and the state of the electrical system, the available charging capacity, the system size, load management, smart charging, and the choice of charging device. It is challenging to assess the effectiveness of the factors in relation to each other, as all the identified elements affect the solution's energy and cost-efficiency in one way or another. However, differences in factors affecting energy and cost efficiency could be observed between residential and commercial properties. Another significant finding of the work is that the larger the system, the lower the investment costs per installed kilowatt usually are. There is no detailed description of an ideal charging system. The solution's content should always be customized to suit the needs of the property and the user. Significant improvements in energy and cost efficiency optimization could likely have been achieved by selecting pilot sites and with a building-specific approach. Also, the work focused on finding solutions from a very theoretical point of view, so practical calculations of efficiency improvements could have added value, especially from a business point of view. To conclude, this thesis provides a valuable preview on energy and cost-efficient charging systems for consumers, housing associations, and businesses interested in investing in a new charging system. In order to achieve a more comprehensive overview of the efficiency and cost of charging systems, further studies could not only look into investment costs but also system maintenance costs.

Sähköautojen latauksen tarve taloyhtiöissä ja kaupallisissa kohteissa kasvaa sähköautojen määrän kasvaessa. Eduskunta hyväksyi lokakuussa 2020 uuden lain, jonka mukaan jokaisen uuden asuinrakennuksen ja yrityksen on investoitava sähköauton latausvalmiuteen tai sähköauton latauspisteisiin vuoteen 2025 mennessä, mikäli kohteessa tehdään kattavat peruskorjaus työt tai mikäli kyseessä on täysin uusi kohde. Tämän uuden lain odotetaan lisäävän kymmeniä tuhansia uusia sähköautonlatauspisteitä Suomeen. Markkinat tarjoavat useita energia- ja kustannustehokkaita latausratkaisuja kuluttajille, taloyhtiöille ja yrityksille. Haasteena onkin ymmärtää, mitä valita, minne ja miksi. Tämän tutkimuksen tavoitteena on selvittää, mitkä ominaisuudet tekevät sähköauton latausjärjestelmästä energia- ja kustannustehokkaan. Työ keskittyy taloyhtiöihin ja kaupallisiin kohteisiin, sillä ensisijaisesti usean latauslaitteen järjestelmät tulevat haastamaan paikalliset sähköjärjestelmät ja pienjänniteverkon kantokyvyn. Esiselvityksenä tutkimukselle teoriaosuudessa keskityttiin olemassa olevaan latausteknologiaan, vaatimuksiin ja Suomen markkinatilanteeseen. Lisäksi työ pyrki selkeyttämään, kuinka paljon erilaiset energia- ja kustannustehokkaat latausjärjestelmät kustantavat ja mikä investoinnissa on usein kalleinta. Tutkimuksen tulokseksi saatiin, että energia- ja kustannustehokkuuteen vaikuttaviin tekijöihin lukeutuvat rakennuksen ikä, lämmitysjärjestelmä sekä sähköjärjestelmän tila, saatavilla oleva latauskapasiteetti, järjestelmän koko, kuormanhallinta, älykäs lataus ja latauslaitteen valinta. Tekijöiden voimakkuutta suhteessa toisiinsa on haastavaa arvioida, sillä kaikki tunnistetut elementit vaikuttavat tavalla tai toisella ratkaisun energia- ja kustannustehokkuuteen. Eroja energia- ja kustannustehokkuuteen vaikuttavissa tekijöissä voitiin kuitenkin havaita asuinrakennusten ja kaupallisten kohteiden välillä. Toinen työn merkittävä löytö oli, että investointikustannusten havaittiin laskevan asennettua kilowattia kohden, mitä suuremmasta järjestelmästä on kyse. Ideaalille latausjärjestelmälle ei ole yksiselitteistä kuvausta ja latausratkaisun sisältö tulee aina kustomoida kohteen ja käyttäjän tarpeiden mukaiseksi. On todennäköistä, että merkittäviä parannuksia energia- ja kustannustehokkuuden optimoimiseen oltaisiin voitu saavuttaa valitsemalla pilottikohteet, joille oltaisiin rakennuskohtaisesti lähdetty etsimään optimaalista latausratkaisua. Lisäksi työ keskittyi hakemaan ratkaisuja hyvin teoreettiselta kannalta, joten käytännön laskelmat tehokkuuden parantamisesta olisivat voineet tuoda lisäarvoa erityisesti asiantuntijanäkökulmasta katsottuna. Lopuksi voidaan todeta, että tämä opinnäytetyö tarjoaa arvokkaan esikatsauksen energia- ja kustannustehokkaisiin latausjärjestelmiin kuluttajille, taloyhtiöille ja yrityksille, jotka ovat kiinnostuneita investoimaan uuteen latausjärjestelmään. Jotta saavutettaisiin kokonaisvaltaisempi katsaus latausjärjestelmien tehokkuuteen ja kustannuksiin, voisi jatkotutkimuksissa tarkastella investointikustannusten lisäksi myös järjestelmän ylläpitokustannuksia tai vertailla latausjärjestelmän infrastruktuurin vaatimuksia ja kustannuksia uudiskohteiden ja vanhojen rakennusten kesken.