Akkupohjaisten energiavarastojen integraatio sähköajoneuvojen latausratkaisuihin
Korhonen, Sami-Aleksi (2023)
Korhonen, Sami-Aleksi
2023
Sähkötekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Electrical Engineering
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta - Faculty of Information Technology and Communication Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-09-26
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202308297843
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202308297843
Tiivistelmä
Sähköajoneuvojen voimakas lisääntyminen vaatii latausinfrastruktuurin kehittämistä. Latausinfrastruktuurin kehittämistä voi kuitenkin rajoittaa sähköverkon kapasiteetin riittämättömyys. Toisaalta latauspalvelujen laadun pitää olla entistä parempaa, kun sähköajoneuvojen määrä kasvaa. Tämän työn tarkoituksena onkin siis esitellä mitä mahdollisuuksia näiden parantamiseen energiavaraston integroiminen latausjärjestelmään tuo ja mitä asioita tällaisen integraation toteuttamisessa on otettava huomioon.
Käytännön toteutusta varten tässä diplomityössä tehtiin kirjallisuuskatsaus eri energiavarastoista, latausratkaisujen topologiasta, sekä erinäisistä standardeista ja ohjeistuksista mitä toteutuksessa on otettava huomioon. Lisäksi etsittiin eri hyödyt ja haitat sekä tehtiin kannattavuuslaskelmat saavutettavissa olevista tuotoista investoinnin reunaehdon löytämistä varten.
Energiavarastoja on monenlaisia ja niiden ominaisuudet sekä koko vaihtelevat. Energiavaraston ja latausratkaisun integraatiossa pieni koko on edellytys, sillä käytettävissä oleva tila saattaa olla rajallinen. Tämän takia tärkeimmät ominaisuudet energiavarastoille ovat ominaisenergian ja -tehon määrä sekä energia- ja tehotiheys. Lisäksi huomiota on hyvä kiinnittää elinikään ja turvallisuuteen. Nämä kriteerit täyttävät parhaiten akut, vauhtipyörät ja superkondensaattorit. Akkuja käsiteltiin tarkemmin, sillä eri akkuvaihtoehtoja on useita erilaisia ja niiden ominaisuudet vaihtelevat paljon. Edellä mainitut kriteerit täyttävät parhaiten NMC- ja LFP-akkukemialla varustetut litiumioniakut sekä NaS-akut.
Energiavaraston integraation tuomiin mahdollisuuksiin lukeutuu kuormahuippujen rajoittaminen, kuormien tasaaminen, varavoima, reservimarkkinoille osallistuminen sekä uusiutuvien energianlähteiden integroinnin helpottuminen. Esimerkiksi integraation ansiosta latausratkaisuja voidaan toteuttaa paikkoihin, joissa sähköverkon kapasiteetti ei riitä. Integraation haitat liittyvät turvallisuuteen, ympäristöön, investointikustannuksiin ja elinikään.
Kannattavuuslaskelmien mukaan nykyisillä akkujen hinnoilla ei päästä kannattavaan investointiin ja investointi muuttuu kannattavaksi vasta, kun akkujen hinta laskee arvoon 250 €/kWh. Integraation muilla hyödyillä pitäisi siis olla asiakkaalle tarpeeksi arvoa, jotta investointi olisi järkevä. Hyötyjen arvon arviointi vaatii kuitenkin tapauskohtaista tarkastelua.
Käytännön integraatiota varten selvitettiin eri ohjeistuksia ja standardeja, jotka on huomioitava toteutettaessa energiavaraston integraatiota. Teorian avulla toteutettiin Viinikan julkisen latausaseman energiavaraston ja latausjärjestelmän integraatio käytännössä. Käytännön projektin toteutuksella pyrittiin todistamaan teoriaosuuden paikkansapitävyys sekä hakemaan kehityskohteita tulevia projekteja varten.
Nykyisillä hinnoilla energiavaraston integraatiota latausratkaisuun on kuitenkin hyvin vaikea perustella pelkästään kannattavuuden kautta, joten investoinnin kannattavuuden lisäksi myös muiden hyötyjen arvo on huomioitava. Tulevaisuudessa on syytä tarkkailla muita akkuteknologioita sekä hintojen kehitystä, sillä hintojen laskun kautta investoinnit muuttuvat kannattaviksi. Lisäksi olisi järkevää tutkia reservimarkkinoiden vaikutus integraation kannattavuuteen, sillä niitä ei tämän työn yhteydessä tutkittu. The increasing number of electric vehicles (EV) requires development of the charging infrastructure. Grid capacity can be a limiting factor in the development of the charging infrastructure. On the other hand, charging service quality needs to be improved with the increase of electric vehicles. The goal of this thesis is to show what improvements can be achieved with the integration of energy storage system with charging station and what needs to be considered when doing such integration.
For the practical part of this thesis a literary survey was conducted to receive information about different energy storages, charging station topologies along with what standards and guidelines need to be considered in the integration process. Additionally, the different pros and cons of the integration were surveyed along with cost calculations to find the boundary condition of the investment.
There are many different energy storage systems available, and their properties and size vary. Small size is a must in the integration of energy storage system and charging station as the available space may be restricted. Because of that, the most important properties of energy storage are the specific energy and power along with energy and power density. Other properties that should be kept in mind are the lifetime and safety. Batteries, flywheels, and super capacitors meet these criteria best. Further look was conducted into batteries as there are many types of batteries and their properties vary a lot. The best battery types fitting these criteria are NMC and LFP lithium-ion batteries and NaS batteries.
The integration of energy storage system brings benefits that include peak power reduction, load balancing, backup power, ability to participate in reserve markets and simplifying renewable energy source integration. For example, with the integration of energy storage system it is possible to implement charging stations where the grid capacity is not enough. The cons of the integration include safety, environmental issues, high investment costs and lifetime.
According to the cost calculations it is not profitable to integrate energy storage with a charging station with current prices. The investment becomes profitable once the price of batteries drops to a value of 250 €/kWh. The other benefits of the integration should have enough value for the customer to make the investment worthwhile. However, evaluating the value of the benefits requires a case-by-case review.
For the practical integration, different guidelines and standards were examined. This information was used when implementing the energy storage integration. The implementation of the practical project aimed to prove the validity of the theory section of this thesis and to search for development targets for future projects.
With the current prices, energy storage integration with charging stations is very hard to justify with just profitability, so the other benefits of the integration must be considered. In the future it is best to keep a look out on new and developing battery technologies and the price development of current batteries as the investment is made profitable with price decreases. The effect of participating in the reserve markets on profitability should be evaluated, as it was not conducted as a part of this thesis.
Käytännön toteutusta varten tässä diplomityössä tehtiin kirjallisuuskatsaus eri energiavarastoista, latausratkaisujen topologiasta, sekä erinäisistä standardeista ja ohjeistuksista mitä toteutuksessa on otettava huomioon. Lisäksi etsittiin eri hyödyt ja haitat sekä tehtiin kannattavuuslaskelmat saavutettavissa olevista tuotoista investoinnin reunaehdon löytämistä varten.
Energiavarastoja on monenlaisia ja niiden ominaisuudet sekä koko vaihtelevat. Energiavaraston ja latausratkaisun integraatiossa pieni koko on edellytys, sillä käytettävissä oleva tila saattaa olla rajallinen. Tämän takia tärkeimmät ominaisuudet energiavarastoille ovat ominaisenergian ja -tehon määrä sekä energia- ja tehotiheys. Lisäksi huomiota on hyvä kiinnittää elinikään ja turvallisuuteen. Nämä kriteerit täyttävät parhaiten akut, vauhtipyörät ja superkondensaattorit. Akkuja käsiteltiin tarkemmin, sillä eri akkuvaihtoehtoja on useita erilaisia ja niiden ominaisuudet vaihtelevat paljon. Edellä mainitut kriteerit täyttävät parhaiten NMC- ja LFP-akkukemialla varustetut litiumioniakut sekä NaS-akut.
Energiavaraston integraation tuomiin mahdollisuuksiin lukeutuu kuormahuippujen rajoittaminen, kuormien tasaaminen, varavoima, reservimarkkinoille osallistuminen sekä uusiutuvien energianlähteiden integroinnin helpottuminen. Esimerkiksi integraation ansiosta latausratkaisuja voidaan toteuttaa paikkoihin, joissa sähköverkon kapasiteetti ei riitä. Integraation haitat liittyvät turvallisuuteen, ympäristöön, investointikustannuksiin ja elinikään.
Kannattavuuslaskelmien mukaan nykyisillä akkujen hinnoilla ei päästä kannattavaan investointiin ja investointi muuttuu kannattavaksi vasta, kun akkujen hinta laskee arvoon 250 €/kWh. Integraation muilla hyödyillä pitäisi siis olla asiakkaalle tarpeeksi arvoa, jotta investointi olisi järkevä. Hyötyjen arvon arviointi vaatii kuitenkin tapauskohtaista tarkastelua.
Käytännön integraatiota varten selvitettiin eri ohjeistuksia ja standardeja, jotka on huomioitava toteutettaessa energiavaraston integraatiota. Teorian avulla toteutettiin Viinikan julkisen latausaseman energiavaraston ja latausjärjestelmän integraatio käytännössä. Käytännön projektin toteutuksella pyrittiin todistamaan teoriaosuuden paikkansapitävyys sekä hakemaan kehityskohteita tulevia projekteja varten.
Nykyisillä hinnoilla energiavaraston integraatiota latausratkaisuun on kuitenkin hyvin vaikea perustella pelkästään kannattavuuden kautta, joten investoinnin kannattavuuden lisäksi myös muiden hyötyjen arvo on huomioitava. Tulevaisuudessa on syytä tarkkailla muita akkuteknologioita sekä hintojen kehitystä, sillä hintojen laskun kautta investoinnit muuttuvat kannattaviksi. Lisäksi olisi järkevää tutkia reservimarkkinoiden vaikutus integraation kannattavuuteen, sillä niitä ei tämän työn yhteydessä tutkittu.
For the practical part of this thesis a literary survey was conducted to receive information about different energy storages, charging station topologies along with what standards and guidelines need to be considered in the integration process. Additionally, the different pros and cons of the integration were surveyed along with cost calculations to find the boundary condition of the investment.
There are many different energy storage systems available, and their properties and size vary. Small size is a must in the integration of energy storage system and charging station as the available space may be restricted. Because of that, the most important properties of energy storage are the specific energy and power along with energy and power density. Other properties that should be kept in mind are the lifetime and safety. Batteries, flywheels, and super capacitors meet these criteria best. Further look was conducted into batteries as there are many types of batteries and their properties vary a lot. The best battery types fitting these criteria are NMC and LFP lithium-ion batteries and NaS batteries.
The integration of energy storage system brings benefits that include peak power reduction, load balancing, backup power, ability to participate in reserve markets and simplifying renewable energy source integration. For example, with the integration of energy storage system it is possible to implement charging stations where the grid capacity is not enough. The cons of the integration include safety, environmental issues, high investment costs and lifetime.
According to the cost calculations it is not profitable to integrate energy storage with a charging station with current prices. The investment becomes profitable once the price of batteries drops to a value of 250 €/kWh. The other benefits of the integration should have enough value for the customer to make the investment worthwhile. However, evaluating the value of the benefits requires a case-by-case review.
For the practical integration, different guidelines and standards were examined. This information was used when implementing the energy storage integration. The implementation of the practical project aimed to prove the validity of the theory section of this thesis and to search for development targets for future projects.
With the current prices, energy storage integration with charging stations is very hard to justify with just profitability, so the other benefits of the integration must be considered. In the future it is best to keep a look out on new and developing battery technologies and the price development of current batteries as the investment is made profitable with price decreases. The effect of participating in the reserve markets on profitability should be evaluated, as it was not conducted as a part of this thesis.