Az ekzlekeds hlzati kiszolglsa Energiaellts s gazdlkods A

Az e-közlekedés hálózati kiszolgálása Energiaellátás- és gazdálkodás A (BMEGEENMEEA) Farkas Csaba, Ph. D hallgató Villamos Energetika Tanszék Villamos Művek és Környezet Csoport

Miről lesz szó? • Villamos autókról általában… • Felépítésük, működésük • Akkumulátorok, akkumulátortöltési módok • Mérési eredmények • Előrejelzések • Villamos autók felhasználása energiatárolásra • Az aggregátor és szerepköre • Az aggregált teljesítmény felhasználása völgyfeltöltésre ill. frekvenciaszabályozásra 2021. 09. 11. 2

Villamos autókról általában 2021. 09. 11. 3

A villamos autó nem mai találmány… 2021. 09. 11. 4

A villamos autók múltja 2021. 09. 11. 5

Mi segít(het)i ma a villamos autók elterjedését? • A kőolaj árának növekedése: ez az alternatív közlekedési formák iránti megnövekvő érdeklődéshez vezet. • Műszaki megvalósíthatóság: a mai akkumulátorok már elég nagy energiasűrűség elérésére (megfelelő teljesítményleadó-képesség mellett) képesek (ez kb. 100 Wh/kg), ugyanakkor az akkumulátortechnológia gyorsan fejlődik. • Költségelőnyök: a jelenlegi árazás mellett 100 km megtétele villamos autóval kb. harmadannyiba kerül, mint dízelmotoros járművel. • CO 2 kibocsátás: a villamos autók elterjedésétől a CO 2 kibocsátás mérséklődését is várják. Ez nem feltétlenül következik be, hiszen a villamos autók akkumulátorainak feltöltéséhez szükséges villamos energiát továbbra is erőművekben kell előállítani, a CO 2 kibocsátás azonban területileg átrendeződne, s a városok közvetlenül kevésbé szenvednének a közlekedés okozta légszennyezéstől. Lehetőség van ráadásul a szükséges villamos energia egy részének megújulókból történő megtermelésére is. Magyarország ugyan jelenleg az EU-ban a közúti közlekedésből származó egyik legalacsonyabb emisszióval rendelkezik (az országos kibocsátás kb. 18%-át adja jelenleg a közlekedés), de ez a részarány növekszik. 2021. 09. 11. 6

A villamos autók elterjedését segítő ösztönzők • A villamos autók elterjedésének segítésére a legtöbb nyugat-európai országban erőfeszítéseket tesznek: és az USA-ban komoly • adókedvezményeket, • vásárlási kedvezményeket, • buszsáv-használati engedéllyel, • ingyenes parkolási lehetőséggel, • stb. • A megfelelő ösztönző rendszer azonban még mindig hiányzik 2021. 09. 11. 7

Egy fontos ösztönző: a CO 2 kibocsátás mérséklése 2021. 09. 11. 8

Hatásfok 2021. 09. 11. 9

Tölthető hibrid felépítése (Toyota Prius) 2021. 09. 11. 10

Akkumulátorok 2021. 09. 11. 11

Villamos autók töltése 2021. 09. 11. 12

Töltési módok • A töltés sebessége szerint: • Lassú (6 -8 órán át tartó töltés): ez kb. 3 -6 k. W töltőteljesítményt jelent • Gyors (5 -20 perces töltés): ez kb. 50 -100 k. W töltőteljesítményt jelent • A töltés szabályozottsága szerint: • Szabályozatlan: az autók akkor kezdenek el tölteni, ha a hálózatra csatlakoztatják őket, semmilyen vezérlés és szabályozás nincs • Időben eltolt: a villamos autók töltése megindulásának időpontját vezérléssel egy általunk meghatározott időpillanatra toljuk el • Intelligens (smart) töltés: az autók töltése szabályozott, különböző tarifák és hálózati szabályozási igények figyelembevételével történik Video 1 2021. 09. 11. 13

Villamos autók töltésének hatásai • A villamos autók akkumulátorait fel kell tölteni. A töltés során a hálózat felé plusz terhelés jelenik meg, ami a hálózati elemek túlterhelődéséhez vezethet. • A töltés történhet a kisfeszültségű elosztóhálózaton, valamint speciálisan villamos autók töltésére létesített töltőállomásokon. • A kisfeszültségű hálózaton rendelkezésre álló töltőteljesítmény nem teszi lehetővé nagy számú gyorstöltő alkalmazását, így a garázsokba, utcai parkolókba elsősorban kisebb töltőteljesítményű, lassú töltést biztosító töltőfejek elterjedése várható. 2021. 09. 11. 14

Villamos autók töltésének hatásai Maradó feszültség (legnagyobb feszültségesés A KÖF/KIF transzformátor terhelődése különböző EVesetén), 100% autó-részarány, szabadvezetékes részarányok mellett, eltolás nélkülitöltő 6 órásvillamos töltés esetén kisfeszültségű elosztóhálózaton autók • A hálózat 160 lehetséges hálózati hatásai: 0, 99 • 140 Transzformátorok túlterhelődése. • 120 Transzformátorok melegedése, öregedése. 0, 97 Terhelődés [%] Maradó feszültség [p. u. ] • Szabadvezetékek és kábelek túlterhelődése. 100 • 0, 95 Megnövekvő feszültségesés a szabadvezetékeken és kábeleken. 0% autó • 80 A töltőkben található inverterek miatt megnövekvő 0, 93 harmonikustartalom a hálózaton. 60 Alapeset (0% autó) 8 órás töltés 20% autó 6 órás töltés (eltolás nélkül) 80% autó 6 órás töltés (22: 00 -ra) 0, 91 40 100% 6 órás töltés (23: 00 -ra) autó 0: 00 0: 45 1: 30 2: 15 3: 00 3: 45 4: 30 5: 15 6: 00 5: 15 6: 45 6: 00 7: 30 6: 45 8: 15 7: 30 9: 00 8: 15 9: 45 10: 30 9: 00 11: 15 9: 45 12: 00 10: 30 12: 45 11: 15 13: 30 12: 00 14: 15 15: 00 12: 45 15: 45 13: 30 16: 30 14: 15 17: 15 15: 00 18: 00 15: 45 18: 45 19: 30 16: 30 20: 15 17: 15 21: 00 18: 00 21: 45 18: 45 22: 30 19: 30 23: 15 0: 00 20: 15 0 0, 87 2021. 09. 11. 21: 00 21: 45 22: 30 23: 15 0: 00 0, 89 20 15

Gyorstöltők • Hosszabb autóutak esetén felmerül az igény az országúti benzinkutak mintájára létrehozott villamos autó töltőállomások létrehozására. • Ezekben az állomásokban gyorstöltők működnek, a cél a járművek akkumulátorainak mielőbbi feltöltése (rövid legyen a várakozási idő). • A gyorstöltők teljesítményigénye nagy, így szükség lehet külön betápláló hálózat kiépítésére. • Lehetséges megoldás: benzinkútként üzemelő töltőállomások átalakítása tisztán villamos vagy benzinesvillamos töltőállomásra. Forrás: http: //myrenaultzoe. com/wp-content/uploads/2013/07/02_fast-charger_vga_Ecotricity. jpg 2021. 09. 11. 16

Töltési módok összefoglalása 2021. 09. 11. 17

A hatótáv sok mindentől függ… 2021. 09. 11. 18

Töltőteljesítmény Hatásos teljesítmény 3 2, 5 P [k. W] 2 P [k. W] (Opel) 1, 5 P [k. W] (Renault) P [k. W] (Nissan) 1 P [k. W] (BMW) 0, 5 1 32 63 94 125 156 187 218 249 280 311 342 373 404 435 466 497 528 559 590 621 652 683 0 Töltési idő [perc] 2021. 09. 11. 19

cos φ 1 0, 9 0, 8 0, 7 0, 6 cos φ (Opel) 0, 5 cos φ (Renault) 0, 4 cos φ (Nissan) 0, 3 cos φ (BMW) 0, 2 0, 1 1 32 63 94 125 156 187 218 249 280 311 342 373 404 435 466 497 528 559 590 621 652 683 0 16 2021. 09. 11. 20

Harmonikusok 2021. 09. 11. 21

Előrejelzés Magyarországra vonatkozóan (2012) 2021. 09. 11. 22

Hatás a villamosenergia-rendszer terhelődésére 2021. 09. 11. 23

Teljesítményaggregálás 2021. 09. 11. 24

Teljesítményaggregálás villamos autók segítségével • A teljesítményaggregálás célja a szabályozásban való részvétel, valamint az energiatárolás. • A szabályozás elsősorban frekvenciaszabályozást jelent. • Energiatárolás segítségével a villamosenergia-rendszer üzemében hirtelen változások hatását lehet kompenzálni. • Az energiatárolás megoldást jelenthet a meglehetősen sztochasztikusan termelő megújuló energiaforrások integrálására is a villamosenergia-rendszerbe: a megújulók által megtermelt többlet villamos energiát tároljuk, majd szükség esetén felhasználjuk. • Lehetséges energiatárolási alternatívák: 2021. 09. 11. 25

Mekkora energia tárolható? 2021. 09. 11. 26

Teljesítményaggregálás villamos autók segítségével – Az aggregátor • A teljesítményaggregálás megvalósításához a villamos autók teljesítményét kell összegezni. • A nehézség: a sok villamos autó időben és térben elosztott energiaforrásként van jelen, továbbá egyetlen autó hatása a rendszer szempontjából elhanyagolható. • Megoldás: a virtuális erőmű koncepciójára épülő aggregátor létrehozása. Az aggregátor egy új, ma még nem létező szervezeti egység. Feladata • a fogyasztók számára a szükséges villamos energia biztosítása, • a rendszerirányító számára szabályozási tartalékok biztosítása, • a villamosenergia-piacon való részvétel. • Fontos megjegyezni, hogy az aggregátor nem ekvivalens egy, a szabályozásban részvevő erőművel, hiszen térben és a rendelkezésre állás idejében elosztott, kis teljesítményű források alkotják! 2021. 09. 11. 27

Parkoló autók - energiatárolás Parkoló autók részaránya, hétköznap 100, 00% 99, 00% 98, 00% 97, 00% 96, 00% 95, 00% 94, 00% 93, 00% 92, 00% 91, 00% 90, 00% 0: 00 1: 00 2: 00 3: 00 4: 00 5: 00 6: 00 7: 00 8: 00 9: 00 10: 0011: 0012: 0013: 0014: 0015: 0016: 0017: 0018: 0019: 0020: 0021: 0022: 0023: 00 2021. 09. 11. 28

Teljesítményaggregálás villamos autók segítségével – Az aggregátor • A teljesítményaggregálás megvalósításához intelligens töltésre van szükség, ami maga után vonja a fejlett kommunikációs infrastruktúrát a villamosenergia-termelők, -kereskedők, -elosztók, valamint a rendszerirányító és az aggregátor között. • Az aggregátornak biztosítani kell a villamos autók felöltéséhez szükséges villamos energiát, ugyanakkor a szabályozásban való részvétel miatt kedvezményeket is képes biztosítani a felhasználóknak. • Az aggregátor feladatát a tarifák és a rendszerszintű igények figyelembe vételével látja el. 2021. 09. 11. 29

Teljesítményaggregálás villamos autók segítségével – Völgyfeltöltés és csúcskiegyenlítés • Egy példa lehet a nagyszámú villamos autó aggregált teljesítményének felhasználására a völgyfeltöltésre, valamint csúcskiegyenlítésre való alkalmazás. • A villamosenergia-rendszer terhelődése ciklikusságot mutat. • A hajnali időszakban a fogyasztás kicsi (mindenki alszik…), ilyenkor az erőműveket vissza kell szabályozni, hogy az összes termelt villamos energia és a fogyasztás egyensúlyban maradjon. • Az erőművek többsége nem szereti a visszaszabályozást. • Sok esetben a visszaszabályozás drága. 2021. 09. 11. 30

Teljesítményaggregálás villamos autók segítségével - Völgyfeltöltés 2021. 09. 11. 31

Teljesítményaggregálás villamos autók segítségével – V 2 G • Részletesen a frekvenciaszabályozásban való részvételt vizsgáljuk meg. • A frekvenciaszabályozásban való részvételre az ún. vehicle -to-grid (V 2 G) koncepció ad lehetőséget: a villamos autók töltői invertereik segítségével képesek teljesítményt visszatáplálni a hálózatba. • Ezáltal a villamos autók akkumulátoraiban tárolt villamos energia „visszanyerhető”, felhasználható szabályozási célokra. Természetesen az így kapott energia korlátozott nagyságú és nem áll korlátlanul rendelkezésre. 2021. 09. 11. 32

V 2 G felhasználása frekvenciaszabályozásra - mintahálózat 2021. 09. 11. 33

Frekvenciaszabályozó 2021. 09. 11. 34

Hálózati frekvencia elégtelen termelőkapacitás esetén 2021. 09. 11. 35

Hálózati frekvencia V 2 G alkalmazását követően 2021. 09. 11. 36

A villamos autók viselkedése a szabályozás során 2021. 09. 11. 37

A villamos autók töltése - vízió 2021. 09. 11. 38

Köszönöm a figyelmet! Forrás: Brian Mc. Beth – Mercedes Benz E-mobility concept - EES-UETP Course, DTU, Lyngby, Copenhagen, 2010. A háttérkép forrása: http: //assets. inhabitat. com/wp-content/blogs. dir/1/files/2011/01/Faster-Li-Ion-Charging-4 -537 x 335. jpg 2021. 09. 11. 39

Forrásjegyzék • • • • • http: //www. e-autozas. hu/ http: //www. eon-hungaria. com/szerepvallalas/energia-uj-utakon/e-mint-elektromos-auto http: //www. demotivalo. net//pic/1315918759 -4 GPK_4. jpg Osztovits Ádám, Armin Krug, Katona András, "Kitekintés az elektromos autók jövőjére", http: //www. pwc. com/hu/hu/kiadvanyok/assets/pdf/e-car-survey-hu. pdf Farkas Csaba, "Az e-mobilitás várható hatása a villamosenergia-elosztó és -átviteli hálózaton", Diplomaterv, 2011. december, https: //diplomaterv. vik. bme. hu/hu/Theses/Az-emobilitas-varhato-hatasa-a-villamos/Attachment/5713 Bessenyei Tamás, Arnold Ákos, "Elektromos mobilitás - e-mobility, Lehetőségek és feladatok az elosztói engedélyes számára", http: //www. mee. hu/sites/default/files/u 9/3. %20 Bessenyei%20 Tam%C 3%A 1 s, %20 Arnold%20%C 3%81 kos%20%20 lehetosegek_0912. pdf Jászai Tamás, "Az elektromos autózás lehetőségei és korlátai Magyarországon", http: //mta. hu/data/cikk/13/00/6/cikk_130006/E-Mobility_MTA_20120524. pdf Balázs Gergely György, Farkas Csaba, Kovács Attila, "Opel Ampera töltés mérései", BME VET http: //www. origo. hu/i/1206/20120612 -peugeot-ion 7. jpg http: //www. mennekes. de/uploads/media/MENNEKES_Inlet_und_Ladekupplung_02. jpg http: //www. mennekes. cn/uploads/RTEmagic. C_MENNEKES_Steckerschema. jpg http: //zoldtech. hu/cikkek/20120324 -eszk/kepek/6_abra. jpg http: //www. abb. hu/cawp/huabb 008/1 f 3 d 252 da 9 c 79540 c 12579 bb 003 b 467 c. aspx Vereczki György, "Elektromos autók közösségi töltőállomással történő energiaellátásának lehetőségei és hatásai", diplomaterv, 2012. tavasz https: //diplomaterv. vik. bme. hu/hu/Theses/Elektromos-autok-kozossegi-toltoallomassal/Attachment/8626 van Haaren, R. (2011). "Assessment of Electric Cars’ Range Requirements and Usage Patterns based on Driving Behavior recorded in the National Household Travel Survey of 2009", Retrieved from: www. solarjourneyusa. com/carusage. php András Dán, Csaba Farkas, László Prikler, "V 2 G effects on frequency regulation and under-frequency load shedding in a quasiislanded grid", Power. Tech 2013. Grenoble, 16 -20. June 2013. , pp. 1 -6. , DOI: http: //dx. doi. org/10. 1109/PTC. 2013. 6652220 Balázs Gergely György, Farkas Csaba, Dán András, "Villamos autók töltési karakterisztikái - mérési tapasztalatok. 1. rész: Lassú töltők", Elektrotechnika, megjelenés alatt 2021. 09. 11. 40