Elbilers naturlige lademønster skaber ikke kø på elnettet

På de danske veje kan der opstå kø, og trafikken kan gå helt i stå, når der er for mange biler. På andre tidspunkter af døgnet er vejene helt øde.

Ligesom vejene kan lavspændingsnettet, der fører strømmen det sidste stykke ud til husstandene, også få kapacitetsproblemer, hvis alle vil lave mad og lade deres elbil på samme tidspunkt.

Til gengæld er der rigeligt plads i kablerne, hvis forbruget spredes ud.

Det er særlig vigtigt at have fokus på i disse år, fordi der kommer flere elbiler på vejene, der skal lades op via elnettet. Hvis der ikke er kapacitet nok, betyder det at spændingen falder, så fjernsynet ikke kan tænde.

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

Problemet er, at man ikke ved, hvornår folk oplader deres elbil, før mange mennesker har købt en elbil.

Det har vi imidlertid forsøgt at forudsige i et nyt studie, hvor vi analyserer store mængder data.

Samtidigheden af opladningen er den vigtigste faktor

Den mest afgørende faktor for, hvor stor belastningen fra elbiler kommer til at være, er, hvor meget det samlede forbrug er spredt over tid.

Den højeste andel af elbilerne, der lader på samme tid, kaldes for samtidigheden.

Tidligere studier har vist, at mere end tre ud af fire husstande kan anskaffe sig en elbil, uden at det skaber problemer for de undersøgte lavspændingsnet, hvis mindre end 40 procent af elbilerne lader op på samme tid.

I virkelighedens verden er det selvfølgelig svært at vide, hvornår folk vil lade deres bil. Men så alligevel ikke – for data kan give os et ret præcist indblik i, hvornår elbiler bliver sat til opladning.

Store mængder data viser lav samtidighed

Når man ser på ladedata for store grupper af elbiler, så er det aldrig mere end 24 procent af bilerne, der lader på samme tid. Figur 1 viser andelen af 7.163 Nissan Leaf elbiler i USA, der lader på samme tid i løbet af dagen.

Den lave samtidighed hænger sammen med, at folk ikke oplader meget oftere, end de har behov for.

I Figur 2 kan man se sandsynligheden for, at en person vælger at oplade sin elbil, når vedkommende kommer tilbage til sin husstand afhængigt af, hvor mange procent energi, der er tilbage på batteriet (state of charge), og hvor langt de kører til dagligt.

Sammenhængen er udregnet baseret på Nissans elbils-data vist i Figur 1 og er baseret på elbiler med en batterikapacitet på 24 kilowatt-timer (kWh).

Et dansk opladningsmønster

Elnettet skal kunne klare den værste belastning, selvom det kun sker sjældent.

Problemet er, at der på samme kabel (lavspændingsradial) kun er tilkoblet omkring 100 kunder, og når man kigger på en mindre gruppe, er det statistisk mere sandsynligt, at en større andel vil lade på samme tid.

Det skyldes, at den enkeltes adfærd har en større indflydelse på resultatet.

Det er derfor nødvendigt at finde ud af, hvor stor en andel af nogle mindre grupper, der i værste fald vil oplade deres elbiler samtidig.

Det har vi gjort ved hjælp af den danske Transportvaneundersøgelse, en interviewundersøgelse med over 160.000 interviews, hvis formål er at kortlægge den danske befolknings trafikale adfærd.

Det giver et repræsentativt billede af, hvor langt danske bilejere kører i deres bil, og hvornår de kommer hjem til deres husstand. I Figur 3 kan man se fordelingen af, hvornår danske biler ankommer til husstanden, og hvor langt de har kørt på en gennemsnitlig hverdag.

Ved at udtrække forskellige prøver fra den samlede data fra Transportundersøgelsen, kan man skabe forskellige kombinationer af lademønstre.

Lademønsteret afhænger af energibehovet (hvor langt har man kørt siden sidste opladning), ankomsttidspunktet og sandsynligheden for at ejeren beslutter sig for at lade op (fra Figur 2).

Vi antager, at hvis man beslutter sig for at oplade sin bil, så starter opladningen når man kommer hjem og parkerer bilen, og den fortsætter til bilen er helt opladet.

På Figur 4 kan man se et eksempel på et lademønster for en gruppe bestående af ti elbiler i løbet af tre dage.

Hvis en elbil en af dagene ikke bliver opladet, vil sandsynligheden for at den bliver opladet den følgende dag være højere, og den skal lade dobbelt så længe.

For denne lille gruppe af ti elbiler er den højeste samtidighed 40 procent i løbet af tre dage.

Mindre grupper af elbiler har også lav samtidighed

Eksemplet fra Figur 4 er gentaget for grupper bestående af 5 til 100 elbiler. Men for at kunne finde den værste kombination for forskellige antal elbiler, så gentages hver gruppestørrelse 1.000 gange, som svarer til, at Figur 4 er gentaget 1.000 gange for forskellige personer.

Hver gang sættes der tilfældige personer ind i elbilerne, og på denne måde kan hele populationen dækkes.

Den højeste samtidighed er for hver gruppestørrelse vist i Figur 5.

Man kan se, at den højeste samtidighed afhænger meget af antallet af elbiler i gruppen og falder markant fra en gruppe på fem biler til en gruppe på 50 biler. Den høje samtidighed af få elbiler er ikke problematisk, da den samlede effekt er meget lav.

Simuleringerne er også lavet for forskellige lade-styrker. Den højeste strøm man må trække på én fase er 16 ampere, hvilket svarer til 3,7 kilowatt (kW).

Hvis bilen kan trække strøm fra tre faser, kan man oplade med tre gange højere effekt, svarende til 11 kW. Opladning med 22 kW er meget højt for en husstandsoplader og anses for usandsynligt, men er medtaget for at vise effekten.

Når folk lader med en højere effekt, skaber det mere belastning af elnettet, men heldigvis resulterer den hurtigere opladning i en markant lavere samtidighed, der udligner en stor del af den ekstra belastning.

For grupper på mere end 50 elbiler vil samtidigheden være max 45 procent, hvis de lader med 3,7 kW og max 25 procent, hvis bilerne lader med 11 kW.

Den værst tænkelige andel af biler, der lader samtidigt, er altså lavere, og dermed mindre problematisk, end det der var antaget i et tidligere studie.

Begrænset effekt af større batterier

I dag er det mere normalt, at elbilerne har væsentlig større batterier end 24 kWh, så vi har også undersøgt, hvad det betyder for samtidigheden at batterierne er 48 kWh eller 60 kWh.

I Figur 6 kan man se, at det gør en meget lille forskel, hvor stort elbilens batteri er. Det skyldes, at biler med stor kapacitet skal oplades sjældnere, men til gengæld lader i længere tid ad gangen.

At bilerne kommer hjem på forskellige tidspunkter har en større betydning, end sandsynligheden for om bilerne sættes til opladning.

For bilerne med 24 kWh batterier er det undersøgt, hvordan samtidigheden påvirkes, hvis de blev sat til opladning, hver gang de kommer hjem. Det ændrer kun samtidigheden en procent hvis bilerne skal oplades hver gang de kommer hjem (se P24A i Figur 6).

Smart opladning er et tveægget sværd

Vores studie har vist hvordan naturlige variationer i danskernes kørevaner vil mindske belastningen af elnettet.

Imidlertid forventes en vis udbredelse af styring, som giver mulighed for at tidsforskyde opladningen.

Såkaldt ’smart opladning’ understøttes allerede af mange elbiler, hvor starttidspunkt for opladning kan indstilles.

I dag styres opladningen efter, hvornår strømmen er billigst, eller med lavest CO₂ udledning, hvilket betyder, at den bliver koncentreret i bestemte tidsrum, og dette vil øge samtidigheden.

De laveste elpriser er typisk sent om natten, hvor andet forbrug er lavt, og folk er færdige med at lave mad, men når alle har en elbil, kan de alene også resultere i en overbelastning, hvis de alle lader samtidigt.

Omvendt kan man også vælge at bede elbilerne om at sprede opladningen mest muligt af hensyn til det lokale elnet, for at reducere behovet for opgraderinger.

Det er dog noget mere kompliceret at implementere. Det er i forbrugerens egen interesse at oplade med de laveste priser, så en spredning af forbruget skal aktivt tilskyndes.

Ultimativt vil belastningen af elnettet fra elbiler bero lige så meget på den valgte styringsstrategi som elbilisternes naturlige vaner og mønstre.