Electrification of Road Transportation - Implications for the Electricity System
Doktorsavhandling, 2019

It is incumbent upon the transport sector to reduce its CO2 emissions by replacing fossil fuels with low-carbon alternatives. Suggested strategies include electrification of the road transport sector through the use of electric vehicles (EVs) with static charging, electric road systems (ERS), and the use of electricity to produce fuels. Electrification of the transport sector will create new electricity load profiles that depend on the time of consumption and the amount of electricity used in EVs. EVs can also contribute with flexibility to the electricity system – a feature that will be of increasing importance with a higher share of variable renewable electricity (VRE) in the electricity system.

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

HC1, Hörsalsvägen 14, Göteborg.
Opponent: Dr. Patrick Plötz, Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research ISI, Karlsruhe, Tyskland

Författare

Maria Taljegård

Chalmers, Rymd-, geo- och miljövetenskap, Energiteknik, Energiteknik 1

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,; (2019)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Impacts of electric vehicles on the electricity generation portfolio – A Scandinavian-German case study

Applied Energy,; (2019)p. 1637-1650

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Elfordon utgör idag mindre än 1% av den svenska fordonsflottan. Antalet elfordon behöver öka drastiskt till år 2045 för att minska CO2-utsläppen från transportsektorn i linje med de europeiska och nationella klimatmålen. En elektrifiering av vägtransportsektorn kan ske genom elbilar som laddas vid hemmet och på allmänna platser, överföring av el till fordon vid färd (elväg) eller genom att framställa ett fordonsbränsle, såsom vätgas, med hjälp utav el. En elektrifiering av transportsektorn kommer öka det totala elbehovet, och därmed påverka elsystemet både med avseende på energi och effekt.
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, 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 tekniska högskola

HC1, Hörsalsvägen 14, Göteborg.

Opponent: Dr. Patrick Plötz, Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research ISI, Karlsruhe, Tyskland

Mer information

Senast uppdaterat

2019-10-08