Electrification of Road Transportation - Implications for the Electricity System
Doktorsavhandling, 2019
The overall aim of this thesis is to investigate how electrification of the transport sector affects the electricity system with respect to the demands for energy and power on different geographical and temporal scales. In this work, a vehicle energy consumption model is developed to estimate the variations of the energy and power demands according to time and location for the transportation work on a highway (the E39 in Norway). Furthermore, charging of passenger EVs and ERS is included in several electricity system models, to investigate how EVs influence investments in electricity generation capacity and VRE integration.
Our results, using the Norwegian E39 highway as a case study, indicate that electrification of the road transport entails large variations in the spatial and time distributions of the energy and power demands along the road. Installation of ERS on all the European (E) and National (N) roads in Sweden and Norway would encompass more than 50% of the national vehicle traffic. Implementation of ERS on 25% of the total E- and N-roads (~6,800 km) would be sufficient to cover 70% of the traffic on these roads and would connect most of the larger cities in Norway and Sweden through ERS.
We conclude that with a cap on CO2 emissions from the European electricity system, which corresponds to 99% reduction by 2050, the demand from EV is mainly met by an increase in generation from VRE, e.g., solar power in regions with adequate solar conditions and wind power in regions with good wind conditions. Re-charging of EVs directly subsequent to driving or ERS will require increased investments in peak power (by up to ~15%), as well as, in thermal power plants compared to optimised EV charging. The model results show that an optimised charging strategy with vehicle-to-grid (i.e., discharging electricity back to the grid) that minimises the cost of the electricity system can: (i) avoid investments in other storage technologies; (ii) reduce the need for peak power capacity in the system; and (iii), for some regions, stimulate increased shares of VRE (mainly solar power), as compared to direct charging.
This thesis also shows that it is important to represent the heterogeneity of individual driving patterns in electricity system optimisation models when the charging infrastructure is limited to the home location and a battery capacity of 30 kWh or less per vehicle.
highway E39
CO2 emissions
electric vehicle
electric road systems
energy system modelling
variable renewable electricity
Författare
Maria Taljegård
Chalmers, Rymd-, geo- och miljövetenskap, Energiteknik
Spacial and dynamic energy demand of the E39 highway – Implications on electrification options
Applied Energy,;Vol. 195(2017)p. 681-692
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Large-scale implementation of electric road systems: Associated costs and the impact on CO2 emissions
International Journal of Sustainable Transportation,;Vol. 14(2020)p. 606-619
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Impacts of electric vehicles on the electricity generation portfolio – A Scandinavian-German case study
Applied Energy,;Vol. 235(2019)p. 1637-1650
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Electric Vehicles as Flexibility Management Strategy for the Electricity System-A Comparison between Different Regions of Europe
Energies,;Vol. 12(2019)
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Den här doktorsavhandlingen undersöker hur en elektrifierad transportsektor påverkar elsystemet på olika geografiska nivåer (från en elektrifierad motorväg till hela det europeiska elsystemet). I avhandlingen utvecklats och applicerats en fordonsförbrukningsmodell och tre olika kostnadsminimerande elsystemmodeller som analyserar investeringar i elsystemet.
Modellresultaten visar att en motorväg uppvisar betydande variation i det tidsliga och geografiska energi- och effektbehovet. Elvägar skulle kunna få en roll i framtida transportsystem, speciellt för tunga vägtransporter. En utbyggnad av elväg på 25 % av de mest trafikerade vägarna i Sverige och Norge skulle binda samman de flesta stora städer och täcka mer än 70 % av utsläppen från fordonstrafik på de vägarna. Vid en sådan utbyggnad skulle kostnaden för elvägsinfrastruktur vara liten i förhållande till kostnader för fordonen.
Med ett krav på näst intill noll CO2-utsläpp från det europeiska elsystemet år 2050 visar modellresultaten att det ökade elbehovet från elfordon i Europa huvudsakligen möts av en ökad investering i variabel elproduktion (vind- och solkraft). Resultaten visar också att en integrering av elfordon, där laddningen sker direkt vid parkering eller matning av el till elvägen, leder till en förstärkning av effekttopparna i elsystemet.
Däremot kan en optimerade laddningsstrategi, där elfordonen laddar på timmar med litet elbehov från andra sektorer eller stora mängder el från variabel produktion, istället bidra med systemnytta. Elfordonens batterier kan också utnyttjas för lagring av el genom att de laddas för att sedan återmata el till nätet vid högt elbehov och liten elproduktion. Elbilarna kan därmed:
Minska kostnaden för elsystemet att möta elbehovet med mellan 10 % och 60 % jämfört med laddning som sker direkt vid parkering.
Leverera el från elbilsbatterier mot effekttoppar i elsystemet istället för gasturbiner, bränsleceller eller stationära batterier.
Möjliggöra en högre andel variabel elproduktion (främst solenergi) i elsystemet.
Ytterligare studier behövs för att analysera hur återmatning till elnätet påverkar fordonens batterier, samt viljan från elbilsägare att, mot betalning, på detta sätt låta sitt elbilsbatteri utnyttjas för återmatning till elnätet.
Statens Vegvesen - The E39 as a renewable European electricity hub
Statens vegvesen (2011 067932), 2014-03-17 -- 2018-12-31.
Drivkrafter
Hållbar utveckling
Styrkeområden
Transport
Energi
Ämneskategorier
Energiteknik
Transportteknik och logistik
Energisystem
ISBN
978-91-7905-194-5
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4661
Utgivare
Chalmers
HC1, Hörsalsvägen 14, Göteborg.
Opponent: Dr. Patrick Plötz, Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research ISI, Karlsruhe, Tyskland