Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Disruption of the current utility business by utilizing EV charging infrastructure to unlock grid flexibility: Possibilities for Blockchain technology
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology.
2018 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [sv]

Den europeiska energisektorn genomgår numera en viktig övergång från en centraliserad elkraftförsörjning till distribuerad elproduktion från förnybara källor. Dessutom leder utfasningen av fossila bränslen till en ökning av antalet elfordon (här EV). Höga penetrationsnivåer för både EV och förnybara energin på distributionsnivån kan orsaka ytterligare belastning på elnätet, vilket kan leda till avbrott i strömförsörjningen och försämring av strömkvaliteten. I detta examensarbete undersöktes möjligheterna att lösa detta problem i Tyskland. Den föreslagna lösningen är ett förvaltningssystem för EV-laddning och lokal förnybar elproduktion/-koppling i realtid. Tre användningsfall utvecklades för att analysera denna lösning.

Det första användningsfallet ”hyresgästernas el” är baserat på den nya tyska förordningen som infördes 2017 och främjar att använda solenergi ”bakom” elmätaren i flerbostadshyrehus. I detta fall, genom att erbjuda en EV-laddningstjänst, kan hyresvärden uppnå en högre konsumtionsnivå under solskenstimmarna när hyresgästerna är på jobbet, och därmed få en bättre ersättning. Betalningsperioden för en 11 kW laddsstation, som skulle användas tillsammans med en PV av 26 kWp, beräknades vara cirka 5 år om laddstationen är upptagen 30-40 % av den möjliga dagsljustiden. Om laddstationenen har installerats på grund av andra ändamål kan ”hyresgästernas el”-modellen bli en extra inkomstkälla.

De andra två användningsfallen beror på möiligheten att införa en ”minskad elnätavgift”. Här måste man nämna att insatser att föra EV-laddningen på tid och plats för förnybar elproduktion måste motiveras. Numera är elpriset fast i Tyskland för småförbrukare som betyder att det inte finns någon orsak för en beteendeförändring av EV-förare. En minskad elnätsavgift kunde bli en åtgärd  för att främja ”EV-laddning + lokal förnybar elproduktion”-kopplingen; den kan beviljas av en distributionssystemoperatör (DSO) ifall denna EV-laddning skulle hjälpa att undvika stockningar och avkortning i elnätet. Det andra användningsfallet innebär att införa en sådan minskad elnätavgift för EV-laddning med lokal sol- (PV) eller vindel, som inför dynamisk prissättning. I det här fallet ska lokala elproducenter behöva säjla el till lokala laddstationer på ett peer-to-peer (P2P) sätt. Enligt gällande regelverk är ren P2P-handel inte möjlig; den skulle behöva inrättning av lokala energimarknader och ytterligare balansering. Vad man kan göra kallas direktmarknadsföring, vilket är en elmarknadsmodell som utförs av en aggregator. Användningen av blockchain som ett verktyg skulle bli välgörande för båda fallen eftersom det skulle tilllåta  realtids - främja ”EV-laddning + lokal förnybar elproduktion”-kopplingen med dynamisk prissättning. Ifall man gör P2P-handel möjligt, skulle blockchain också bli användbar för betalningar, medan införandet av blockchainbaserade betalningar konstaterades att inte vara genomförbart under den direktmarknadsföringsmodell som existerar idag.

Det tredje användningsfallet innebär “självkonsumption”/”framme”-elmätaren, när PV / (vindkraftverk)-ägaren och EV-ägeren är samma person; så när hen laddar sin bil samtidigt med elploduktionen, skulle hen inte behöva betala för kilowattimmar och, beroende på distansen mellan de två elanslutningspunkterna, skulle hen därmed kunna få rabatt på elnätavgiften. För det här fallet konstaterades det att enligt den nuvarande direktmarknadsföringsmodellen, där aggregatorn och laddstationsleverantören tillhör samma företag, skulle ett sådant användningsfall tveklöst kunna genomföras på grund av gemensam bokföring. Ett sådant fall kan bli ett attraktivt erbjudande, särskilt för PV-ägare som inte får inmatningsavgiften. P2P-handelns slutsatser liknar det tidigare användningsfallet.

För det andra och tredje användningsfället upptäcktes det att i den situationen då P2P-handel är möjlig, skulle EV-laddningen inte uppfylla "försäljningsbehovet" för producenter eftersom den inte är fullt förutsägbar. Därför måste urvalet av P2P-köpare utvidgas till stationära konsumenter; d.v.s. att bredda det föreslagna systemets funktionaliteter från bara EV-laddning till fullständig P2P-handel.

Eftersom EV-laddningen skulle behöva göras i realtid, vara flexibel för laddningsförhållanden, uppfylls behov av flera andelsägare och att vara manipulationssäkert, föreslås distribuerad ledgerteknik (DLT) som implementeringsverktyg. Av två olika DLT, Ethereum och IOTA, drogs slutsatsen att teknikurvalet för att implementera det föreslagna systemet beror på implementeringstiden. Från och med idag ligger Ethereum i ett högre stadium i utvecklingen , vilket prioriterar Ethereum för omedelbar implementering. Samtidigt är IOTA en mycket lovande teknik i ett lägre löptidstillstånd. När de löser ett antal kontroversiella problem blir IOTA ett värdefullt verktyg.

Abstract [en]

Currently the European energy sector is undergoing a significant transition from a conventional centralized power supply to distributed renewable generation sources (DRES). Moreover, the target of decarbonisation is leading to an increase in numbers of electric vehicles (EVs). High penetration levels of both EVs and renewable generation on the distribution grid level without proper management cause an additional stress on the grid, that could lead to interruptions in the power supply and deterioration of power quality. In this thesis possibilities for tackling this problem were investigated in the German context. The proposed solution is a management system to couple EV charging and local renewable generation in real time. Three use cases were developed to assess this idea.

The first use case, tenant electricity, is based on the new German regulation introduced in 2017 which encourages using PV electricity behind the meter in multi-apartment rental accommodation. In this case, adding an EV charging service would help the landlord achieve higher consumption levels during the sunshine hours when the regular tenants are at work, and get better remuneration. It was calculated that the payback period of an 11-kW charging station used together with a PV of 26 kWp would be approximately 5 years if the charging station is occupied 30-40% of the possible daylight time. In case installation of a charging station also serves other purposes, the tenant electricity model could become an additional revenue stream. 

The other two cases are dependent on the possibility of introducing a “reduced grid fee”. Here it needs to be mentioned that bringing EVs to charge at the time and place of renewable generation should be incentivised. Currently in Germany electricity tariffs are flat, giving the driver no reason to switch his/her behaviour. A reduced grid fee could be one measure to encourage EV-DRES coupling; it could be granted by the DSO (distribution system operator) in case such a charging could help reducing congestion or avoiding curtailment. The second use case presents such a reduced grid fee for EV charging with local PV (photovoltaics) or wind, introducing dynamic pricing. This case would need local producers to sell electricity to local charging stations in a peer-to-peer (P2P) manner. Under current regulations, pure P2P trading is not possible; it would involve the need for local energy markets and additional balancing. What could be done, is direct marketing, performed by an aggregator. The usage of blockchain as a tool would be beneficial for both cases because it would enable real-time PV-DRES coupling with dynamic pricing. If P2P trading is made possible, blockchain would be also useful for payments, whereas introducing blockchain-based payments was not found feasible for the direct marketing model that exists today.

The third use-case involves “self-consumption” in front of the meter, where the PV owner and the EV driver is the same person, so when charging at the same time of PV production, he/she would not need to pay for the kilowatt-hours and, depending on the distance between the two connection points, might get a discount on the grid fee. For this case it was found that under the current direct marketing model, where the aggregator and the charging station supplier would belong to the same company, such case could be easily implemented due to common accounting. Such a case could become an attractive offer especially for PV owners that do not receive the feed-in tariff. P2P trading implications are similar to the previous use-case.

It was found out for the second and third use cases that in the situation when P2P trading is made possible, only EV charging would not satisfy the “selling need” for producers as it is not fully predictable. Therefore, the range of buyers need to be broadened to stationary consumers, which would mean expanding the proposed system’s functionality from EV charging to all the P2P trading.

Since such charging would need to be made in real time, flexible for changing conditions, satisfying the needs of multiple parties and tamper proof, the distributed ledger technology (DLT) is proposed as the implementation tool. Out of different DLTs, Ethereum and IOTA, it was concluded that the choice of the technology to implement such a system depends on the implementation timing. As of today, Ethereum is at a higher maturity stage, giving it the priority for immediate implementation. At the same time, IOTA is a very promising technology at a lower maturity state; at the time they solve a number of controversial issues they have, the technology would be a valuable tool.

Place, publisher, year, edition, pages
2018. , p. 90
Series
TRITA-ITM-EX 2018 ; 586
National Category
Mechanical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-246118OAI: oai:DiVA.org:kth-246118DiVA, id: diva2:1295931
Supervisors
Examiners
Available from: 2019-03-13 Created: 2019-03-13 Last updated: 2019-03-13Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(1927 kB)128 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 1927 kBChecksum SHA-512
a7f5bf5791e0d51020a2a9f1d36019670678c5993a1cec13b456f3ff7a4f878cd99b17114f4462b10c701f889b2356cf76c92430affbade6fb24365dcc628dad
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Energy Technology
Mechanical Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 128 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 83 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf