Elnettet kan forsyne mange flere elbiler end hidtil antaget

Der er mange, der har hævdet, at elnettet slet ikke kan håndtere, at alle mennesker skifter til elbil, fordi elforbruget pludseligt vil stige helt vildt.

Direktøren fra Dansk Energi, Lars Aagaard, har for nylig udtalt, at: »man nogle steder kommer til at slukke for strømmen,« hvis alle får en elbil. Og artikler på eksempelvis dr.dk og tv2.dk har beskrevet elnettet som en hindring for at nå 1 million elbiler i 2030.

Har skeptikerne ret?

Ifølge Energistyrelsen lå Danmarks samlede elforbrug i 2018 på 34 TWh.

Elbiler kører i dag omkring fem km på én kWh, hvis man medregner ladetabet, og ifølge DTU’s transportvaneundersøgelse kører personbiler i Danmark i gennemsnit 45 km per dag.

Hvis man skal forsyne al privat transport med el, vil det svare til 8,5 TWh (45 km/dag*365dage/5km/kWh*2,6 mio biler = 8,5 TWh) – en stigning af det nationale elforbrug på 25 procent.

Det er meget, men ikke urealistisk – størrelsesordenen svarer til de nye, store datacentre.

Men hvad står så – udover en forkert idé om, at elnettet ikke rækker til de nye biler – i vejen for, at vi kommer i gang nu og her?

Det har vi undersøgt i et paper, der er blevet udgivet i en anerkendt videnskabelig journal.

Det virkelige elbil-problem

Elnettet kan sagtens levere den nødvendige energimængde, hvis det foregår på tidspunkter, hvor der ikke allerede er maksimalt forbrug.

Det bringer os til det virkelige problem med elbilerne, hvilket ikke er energien, men derimod den elektriske effekt, altså, hvor meget strøm der bliver trukket på et givent tidspunkt.

Hvis alle 2,6 millioner biler i Danmark lader på samme tid med 16 Ampere (3,6 kW), giver det en effekt på 9,4 GW (2,6 millioner biler * 3,6 kW).

I en typisk uge ligger elforbruget i Danmark mellem 5 GW om dagen og 2 GW om natten, så det kunne give en ny spidsbelastning, der er over dobbelt så stor som hele Danmarks.

Det er det ikke alle dele af elnettet, der kan klare!

Højspændingsnettet kan klare mosten – villavejenes lavspændingsnet kan ikke

Højspændingsnettet, altså, de elmaster, vi ser overalt i det danske landskab, transporterer strøm over store afstande. Højspændingsnettet kan håndtere meget store mængder, og da forbruget er spredt ud geografisk, vil forbruget fra elbilerne ikke være en begrænsning her.

Det er kun på lavspændingsnettet, hvor husstandene er forbundet, at der er flaskehalse. Lavspændingsnettet er lavet, før der var nogen, der tænkte på elbiler, og man har ikke indregnet, at hvert hus’ elforbrug pludselig kunne blive fordoblet.

Hvis der bliver trukket en højere strøm, end kablerne og transformeren er lavet til, vil de begynde at blive varme, og der sker et øget slid, som reducerer levetiden.

Husene er forbundet til transformeren som perler på en snor, der kan være flere kilometer lang. En for høj strøm vil betyde, at spændingen er faldende, jo længere ud af kablet man kommer, hvilket kan betyde, at de huse, der ligger længst ude, ikke kan tænde deres computer eller opvaskemaskine. (Læs mere i boksen under artiklen)

Sker det, kan vi i dag kun grave et større kabel ned. Det er ’worst case scenario’, fordi hvis alle villavejene skal opgraderes, er det mange tusinde kilometer kabel og svimlende mange milliarder kroner.

Det er måske det, der er fået den forrige regering til at holde igen med at gøre elbilerne billigere. En lavere indtægt fra registreringsafgiften kan således vise sig at være den mindste del af udgiften ved elbiler.

Tidligere studier antager, at alle lader samtidig

Hvis man ved, hvilke typer af kabler der er brugt, og hvor husene er forbundet, kan man på en simpel måde regne præcist ud, om der kommer problemer ved et bestemt strømforbrug.

Man kan altså lave et casestudie baseret på et bestemt område. Det har forskere tidligere gjort for byen Borup på Sjælland, hvor det blev regnet ud, at kun en tredjedel af husene skulle have en elbil, før der kom overbelastning af transformeren.

Problemet er, at det antager, at alle bilerne lader på samme tid, og at de lader hver eneste dag.

Nissans data viser, at mange folk ikke lader så ofte

Nissan Research Center i Japan er med i det danske ACES projekt, der arbejder på at undersøge, hvor store problemer en stor elbilpark vil skabe for elnettet i fremtiden.

Da de har lavet den mest solgte elbilsmodel nogensinde (400,000 solgte elbiler globalt), har de allerede store mængder data på, hvordan folk rent faktisk oplader deres bil.

Nissans data viser, at folk langtfra lader hver dag, men i gennemsnit hver anden dag og ofte kun to gange om ugen, hvis de ikke kører vildt langt til dagligt.

Ladningsmønstre fra 10.000 Nissan elbiler solgt i USA viser, at der om aftenen, når folk kommer hjem fra arbejde, højest er omkring 18 procent, der lader på samme tid. Det er det, man kalder samtidighedsfaktoren, som her er vist for 21. januar i 2016 (se figur herunder).

Vores model sammenholder sandsynligheden for, at en person oplader sin elbil i USA med data fra den danske transportvaneundersøgelse, der viser, hvor meget og hvornår vi kører i bil Danmark.

For at lave et ’worst case’ scenarie har vi antaget, at elbilerne kun lader hjemme og kommer frem til, at der aldrig er mere end 40 procent af bilerne, der lader på samme tid.

Og regner man det med, ændrer billedet sig radikalt.

Næsten alle kan have elbil uden problemer

Med hjælp fra Bornholms Energi og Forsyning (BEOF) har vi lavet en model over elnettet i et villaområde i Rønne og et i Tejn.

Nettet i Rønne repræsenterer en bysituation med tætliggende huse, som har fjernvarme, imens Tejn er en mere landlig situation, hvor husene er spredt og har elvarme.

Transformeren i Rønne forsyner 110 husstande, imens den i Tejn forsyner 127 husstande.

Når man tager samtidighedsfaktoren med i simuleringen, er det faktisk næsten alle husene i de områder, der kan have en elbil, før der kommer nogen problemer.

Vi undersøger for både overbelastning af transformer og kabler og for store spændingsfald.

Ser man på Borup, hvor ovennævnte studie var nået frem til, at der ville komme problemer, hvis 1/3 af husene fik elbil, ser vi samme scenarie – hvis man tager højde for, hvordan, hvor meget og ikke mindst hvornår folk lader, kan stort set alle have elbil uden problemer.

Medmindre de tre steder er helt specielle, tegner der sig et billede af, at hovedparten af danskerne sagtens kan udskifte deres bil med en elbil, uden vores elnet skaber problemer.

Vi regner med, at de tre områders net er repræsentative for villa-områder i Danmark. I byer med etagebyggeri kan der være mindre ledig kapacitet, men der vil den enkelte lejlighed ofte ikke kunne have sin egen ladestander.

Ujævn belastning af elnettet

Husenes elforbrug kommer fra den koldeste uge sidste år, og da de fleste hustande i Tejn har elvarme, var forbruget ret højt.

Nettet er nemlig nødt til at have kapacitet til ’worst case scenario’, hvor forbruget er højest, selvom det ikke er ret ofte.

Nedenfor kan man se, hvor meget effekt der løber igennem den transformer, der forsyner husene i Tejn i de forskellige scenarier, alt efter om det er den nuværende situation, hvor der ingen elbiler er, eller når der er 25, 50, 75 eller 100 procent elbiler.

Transformeren i Tejn har en kapacitet på 400 kVA, så den bliver ikke overbelastet på noget tidspunkt, men det er tydeligt, at forbruget er meget ujævnt fordelt med en spidsbelastning mellem kl. 18.00 og 21.00.

Vi har modelleret, at al opladning foregår hjemme, men det er sandsynligt, at en væsentlig del af opladningen vil foregå på arbejdet eller ved offentlige lade-standere, i takt med at der kommer flere af dem. Det vil gøre problemet endnu mindre.

Ladning på tre faser øger ikke problemet markant

Nogle elbiler kan oplade med 16 ampere på tre faser i stedet for kun én fase, hvilket giver en tre gange så høj effekt på 11 kW. Man skulle tro, det ville gøre spidsbelastningen tre gange så høj, men det er ikke tilfældet.

I den følgende figur kan man se, hvor mange biler der lader på samme tid, når de alle lader med én fase, eller når de alle lader med tre faser.

Til venstre kan man se, hvor stor en andel af bilerne der lader i løbet af dagen, og til højre kan man se den samlede effekt for de 127 husstande, som har en elbil, og man kan se, at belastningen kun stiger med 50 procent og ikke 300 procent, fordi der er færre biler, der lader på samme tid.

Det skyldes, at de biler, der først er ankommet, allerede er færdige med at lade, før de sidste ankommer. Fordi de lader på tre faser frem for én, bliver de altså også hurtigere færdige og optager dermed kortere tid på elnettet.

I fremtiden er opladning med 11 kW fordelt på 3 faser sandsynligvis det mest normale i hjemmet, da det ikke kræver en større installation, og det er nok til at tilfredsstille de flestes behov.

I tilfældet med 100 procent elbiler, hvor alle lader med 11 kW, vil både transformeren og nogle af kablerne blive overbelastet. For transformeren er det 9,25 timer i løbet af en uge, og for kablet er det kun to timer.

Det viser, at når der kommer overbelastning, er det i meget kort tid, imens der er rigeligt med kapacitet på andre tider af døgnet.

Det er kun i Tejn, hvor de har elvarme og derfor et højere elforbrug, at 100 procent elbiler med 11 kW giver problemer. I Rønne, hvor der er fjernvarme, kommer der ikke engang problemer i dette scenarie.

Hvis man har forskellige elpriser i løbet af døgnet, kan man nudge folk til at oplade på de ’rigtige’ tidspunkter – det gør Radius eksempelvis allerede. Alternativt kan man også lovmæssigt kræve, at alle ladere skal være på nettet og så styre forbruget fra centralt hold.

Elnettet bliver løbende opgraderet, både på grund af at kablerne har en begrænset levetid, og på grund af at hele elforbruget er stigende, da også flere og flere får en varmepumpe.

De steder med meget lav ledig kapacitet vil altså sandsynligvis skulle opgraderes alligevel.

Tager vi højde for, at ikke alle oplader samtidig – og giver dem incitamenter til at lade på forskellige tidspunkter – er der altså intet til hinder for, at det nuværende danske elnet kan forsyne én million elbiler, som kun ville være 38 procent af de biler, vi har i dag.

Den videnskabelige artikel, der ligger til grund for denne artikel, kan downloades gratis på ACES-projektets hjemmeside.