Sähköautojen ja plug-in hybridien vaikutukset sähköverkkoihin Antti Mutanen TTY / Sähköenergiatekniikka

Esimerkkejä sähköajoneuvoista Tesla Roadster Sähköauto Toimintasäde: 350 km Teho: 185 kW (248 hp) Huippunopeus: 201 km/h Akku: 53 kWh litium-ioni Hinta (US): $ 100 000 Chervolet Volt Ladattava hybridi (PHEV40) Toimintasäde sähköllä: 64 km Teho: 111 kW (151 hp) Huippunopeus: 160 km/h Akku: 16 kWh litium-ioni Markkinoille: 2010 Arvioitu hinta (US): $ 35 000 - $ 40 000

Esimerkkiajoneuvojen vaatimat lataustehot Kotilataus Normaalin yksivaiheisen 230 voltin ja 16 ampeerin sulakkeella varustetun pistorasian maksimiteho on 3,68 kW. Kun lataukseen jätetään 20 % turvamarginaali, saadaan tehoksi n. 3 kW Kun edelleen huomioidaan laturin hyötysuhde n. 90 % ja akun hyötysuhde n. 90 % jää varsinaiseksi lataustehoksi 2,4 kW. Tällä teholla Teslan akkujen lataus kestää 22 h ja Voltin lataus 7 h Sähköliityntä Nimellis-teho Todellinen latausteho Latausaika (SOC 0-100 %) Tesla Volt 230 V/10 A 2,3 kW 1,5 kW 35 h 11h 230 V/16 A 3,7 kW 2,4 kW 22h 7 h 3x400 V/16 A 19,2 kW 12,4 kW 4h 16 min 1h 17 min

Esimerkkiajoneuvojen vaatimat lataustehot Pikalataus Viime aikoina monet akkuvalmistajat ovat kertoneet uusista akkuteknologian kehitysaskelista, jotka mahdollistavat jopa 10 minuutin pikalataukset. Suurien akkujen pikalataus vaatii kuitenkin valtavia sähkötehoja. Esimerkiksi: Teslan 53 kWh akun lataus 10 minuutissa (SOC 0-80 %) vaatisi 314 kW ottotehoa sähköverkosta. Voltin 16 kWh akun lataus 10 minuutissa (SOC 0-80 %) vaatisi 95 kW tehoa. Liikenneasema, joka haluaa tarjota pikalatausmahdollisuuden 20 autolle (10xTesla + 10xVolt) tarvitsisi vähintään 4 MW sähkönsyötön. Vertailun vuoksi: normaalilla huoltoasemalla bensapumppu siirtää energiaa tankkiin 20 MW teholla!

Verkostovaikutukset Kiinteistöverkot Sähkön laatu Kotitalouksissa nopea lataus tai lataus pelkällä yösähköllä saattaa vaatia autotallien ja lataustolppien sulakekokojen kasvattamista tai jopa kolmivaiheisen sähkönsyötön järjestämistä. Kolmivaiheinen lataus saattaa vaatia myös pääsulakekoon kasvattamista. Suurilla parkkipaikoilla sähköverkot ja niiden sähkönsyötöt voidaan joutua uusimaan kokonaan. Sähkön laatu Latauksen aikana kuluttajan kokema jännitetaso voi laskea. Yksivaiheinen lataus voi kasvattaa kuluttajan kokemaa jännite-epäsymmetriaa. Latureiden tasasuuntaajat aiheuttavat yliaaltoja verkkoon. Erityisesti yksivaiheiset laturit aiheuttavat paljon yliaaltoja. Esimerkiksi TTY parkkipaikalla on lämmitystolpissa 10? Ampeerin sulakkeet ja silti sisätilanlämmittimien käyttö on kiellettyä, koska verkko toimii jo nyt kapasiteettinsa rajoilla. Vaikka parkkipaikan verkko olisikin niin hyvässä kunnossa että se kestää 16 ampeerin latauksen, ei se silti riitä akkujen lataukseen, varsinkin kun talvella moni haluaisi käyttää vielä samanaikaisesti lohko- ja sisätilalämmittimiä.

Verkostovaikutukset Jakeluverkot Asiakkaiden huipputehojen kasvaessa pj-verkon jännitehäviöt kasvavat ja verkkoyhtiöt joutuvat kasvattamaan joidenkin johtojen siirtokykyä pitääkseen jännitteenalenemat sallituissa rajoissa. Jakelumuuntajien kuormitusrajat tulevat vastaan odotettua aikaisemmin. Pienillä jakelumuuntamoilla jo muutama samanaikaista ”pikalatausta” saattaa aiheuttaa muuntajan ylikuormittumisen. Ongelmaksi muodostuu verkon vahvistusinvestointien kohdentaminen. Verkkoyhtiöllä ei ole tietoja asiakkaiden autotyypeistä tai niiden lataustehoista => esim. muuntajien kunnonvalvontaa pitää tehostaa. Keskijännitetasolla sähköajoneuvojen vaikutus näkyy jo tasaisempana kuormituksen kasvuna => normaalit verkon vahvistustoimenpiteet kuorman kasvaessa. AMR mittarit sähkönlaadun- ja kunnonvalvonnan apuna!

Tarvittavan sähköenergian määrä PHEV40 Suomessa on n. 2,5 miljoona henkilöautoa, yhdellä autolla ajetaan keskimäärin 18 000 km vuodessa => keskimäärin 50 km päivässä. Kerran päivässä ladattavalla PHEV40 hybridiautolla voidaan ajaa 60 % kilometreistä pelkällä sähköllä. Ladattava hybridiauto kuluttaa sähköllä ajettaessa 0,16 kWh/km. Hybridiauton vuotuiseksi sähkönkulutukseksi saadaan: 0.6 x 18 000 km x 0,16 kWh/km = 1 730 kWh Huomioidaan latauksen hyötysuhde => 1 440 kWh/(0,9 x 0,9) = 2 130 kWh Mikäli 25 % Suomen autokannasta olisi PHEV40 hybridejä vaatisi niiden lataaminen 1,3 TWh sähköenergiaa vuodessa (tämä on 1,5 % Suomen tämän hetken sähkönkulutuksesta). Sähkön tuotannossa tarvittavan huipputehon lisääntyminen riippuu lataustavasta.

Lataustehon ajallinen vaihtelu Kontrolloimaton lataus Autoilijat lataavat ajoneuvonsa kerran päivässä silloin kun heille parhaiten sopii => suurin osa aloittaa lataamisen saavuttuaan töistä kotiin. Latauksen huipputeho osuu ikävästi iltaan, jolloin kuormitus on muutenkin huipussaan Tässä esiteltävät kuvat ovat eräästä amerikkalaisesta tutkimuksesta. Siinä ladattiin 7,2 kWh akulla varustettuja PHEV20 hybridiautoja 1,4 kW teholla, mutta käyrämuodot lienevät samankaltaisia myös isommille akuille ja lataustehoille *Ladataan 7,2 kWh PHEV20 1,4 kW latausteholla

Lataustehon ajallinen vaihtelu Lataus yösähköllä Sähköautojen lataus aloitetaan vasta klo 22. Aiheuttaa kytkeytyessään suuren tehopiikin yhdessä muiden ajastettujen kuormien kanssa => Latauksen alkamisajankohtaa olisi hyvä porrastaa, siten että latausten alkamisaika jakautuisi pidemmälle aikavälille. Huom! Nykyiset AMR mittarit osaavat porrastaa yösähkökuorman alkamisajankohdan *Ladataan 7,2 kWh PHEV20 1,4 kW latausteholla

Lataustehon ajallinen vaihtelu Lataus minimikuormituksen aikana Ladataan akut silloin kun verkon kuormitus on pienimmillään. Optimaalinen ratkaisu sähkön tuottajien ja jakelijoiden näkökulmasta. Minimikuormituksen aikana sähköä on halvin tuottaa eikä huipputeho nouse => ei tarvetta sähköverkon vahvistamiselle. Vaatii lataustehon nostamista ja älykkäitä latureita Kirjallisuudessa puhuttu paljon, että älylaturissa pitää olla tiedonsiirtoyhteys ja sen pitää säätää lataustehoa esim. sähköpörssin hintasignaalien tai sähköverkkoyhtiön ohjauksen mukaan. Väitän kuitenkin, että paikallinen logiikka riittäisi ihan hyvin tähän tarkoitukseen. Minimikuormitus osuu joka yö suunnilleen samalle tunnille! *Ladataan 7,2 kWh PHEV20 3,2 kW latausteholla

Lataustehon ajallinen vaihtelu Lataus useita kertoja päivässä Sähköautoja ladataan kodin lisäksi myös työpaikoilla ja julkisilla latauspisteillä Mahdollistaa sähköllä ajettavien kilometrien osuuden lisäämisen => myös sähköenergian tarve kasvaa. Paras vaihtoehto ympäristön ja polttoainelaskun kannalta. Huonoin vaihtoehto sähköverkon kannalta. Suurin latausteho osuu maksimikuormituksen aikaan ja minimikuormituksen aikana on jopa vähemmän latauskuormaa kuin kontrolloimattomassa latauksessa. *Ladataan 7,2 kWh PHEV20 1,4 kW latausteholla

Vaikutus koko Suomen sähkönkulutukseen Case 1: kontrolloimaton lataus 25 % autokannasta PHEV40 hybridejä => Huipputeho lisääntyy 387 MW* *Latauksen kuormitus lisätty vuoden 2008 tammikuun 1. viikon perjantain kuormitukseen (vuoden 2008 huippukuorma)

Vaikutus koko Suomen sähkönkulutukseen Case 2: lataus yösähköllä 25 % autokannasta PHEV40 hybridejä => Huipputeho lisääntyy 427 MW* *Latauksen kuormitus lisätty vuoden 2008 tammikuun 1. viikon perjantain kuormitukseen (vuoden 2008 huippukuorma)

Vaikutus koko Suomen sähkönkulutukseen Case 3: lataus minimikuorman aikana 25 % autokannasta PHEV40 hybridejä => Huipputeho lisääntyy 0 MW* Tämä kuva todistaa hyvin väitteeni, että minimikuorma osuu aina samaan aikaan ja paikallinen logiikka riittäisi hyvin laturin ohjaamiseen. Tässä kuvassa on aikaisemmin esitetty amerikkalaiselle kuormalle optimoitu yölataus yhdistetty suomalaiseen kuormitukseen ja silti tulos on hyvä. Optimaalisesti kuorma yön aikana olisi ihan tasainen, mutta ei tämä kaukana siitä ole. *Latauksen kuormitus lisätty vuoden 2008 tammikuun 1. viikon perjantain kuormitukseen (vuoden 2008 huippukuorma)

Vaikutus koko Suomen sähkönkulutukseen Case 4: lataus useita kertoja päivässä 25 % autokannasta PHEV40 hybridejä => Huipputeho lisääntyy 469 MW* *Latauksen kuormitus lisätty vuoden 2008 tammikuun 1. viikon perjantain kuormitukseen (vuoden 2008 huippukuorma)

End of the show kiitoksia mielenkiinnostanne! Toivottavasti tämä ei ole autoilun tulevaisuus 