Nánar um rannsóknina

Rannsóknin

Verkefnið er hluti af stærra Evrópsku rannsóknarverkefni, SPARCS, sem OR ásamt ON, Veitum og Reykjavíkurborg eru þátttakendur í. Það er styrkt af nýsköpunarsjóði Evrópusambandsins, Horizon 2020 og er verkefnið fjármagnað að hluta til með styrknum. Rannsóknin hér á landi mun gefa ótrúlega góða innsýn inn í hvernig rafbílaeigendur hlaða og nota bílana sína og gefa mikilvægar upplýsingar fyrir álagsstýringu á stórum skala.

Hlöðum Betur mun prófa mismunandi aðferðir til álagsstýringar með raunverulegum rafbílaeigendum yfir tveggja ára tímabil en aðferðunum er hægt að skipta í tvo meginflokka. Annars vegar eru það aðferðir sem byggja á breytingum á verðskrá og hins vegar aðferðir sem byggja á beinni stýringu á hleðsluafli.

Breytt verðskrá getur verið á því formi að ódýrara sé að hlaða á ákveðnum tíma sólarhrings. Til dæmis væri þá ódýrara að hlaða á milli klukkan 22:00 til 07:00 sem hvetur þá neytendur til þess að hlaða á tíma þar sem álag á rafdreifikerfið er minna.

Önnur útfærsla á breyttri verðskrá er að bæta við aflþátt en þá borgar viðkomandi minna eftir því sem hæsta afl lækkar. Þetta þýðir að það væri hagstæðara að hlaða rafbíllinn eftir að búið er að nota flest stór heimilistæki, eins og t.d. eftir kvöldmatartímann.

Seinni meginflokkur aðferðanna er svo bein stýring, en þar er grundvallarhugsunin að stýra beint hleðsluafli rafbíla. Þetta getur verið gert í gegnum snjallar hleðslustöðvar með því að fylgjast með álaginu í kerfinu og hlaða bílana á þeim tímum sem það er best fyrir kerfið. Þetta gæti t.d. þýtt að þegar neytandi stingur bílnum sínum í samband að kvöldi þá myndi bíllinn ekki byrja að hlaða fyrr en seinna um kvöldið eða nóttina þegar það hentar kerfinu mun betur. Það er þó skýrt að slíkar aðferðir mega ekki valda rafbílaeigendum óþægindum og verða að uppfylla þarfir rafbíleigenda hverju sinni.

Raforkukerfið og álagsstýring

Orkukerfi Íslands er á margan hátt einstakt. Hvergi annars staðar í heiminum er hlutfall endurnýjanlegra orkugjafa hærra eða 99,98%. Rafbílainnleiðingin á Íslandi hefur því enn meira tækifæri til þess að vera sjálfbær og umhverfisvæn þar sem raforkan sem bílarnir nota hérlendis er öll endurnýjanleg.

Mikið hefur verið rætt um orkuþörf rafbílavæðingarinnar og hugsanlegar breytingar á orkukerfi landsins sem þarf til þess að sjá öllum væntanlegum rafbílum fyrir afli og orku. Orkunotkun rafbíla er lítil í samanburði við heildarorkunotkun Íslands og því er hægt að segja að nægjanleg orka sé til staðar enn sem komið er. Hins vegar getur það verið mikil áskorun að koma nægjanlegu afli til höfuðborgarsvæðisins og annarra þéttbýlisstaða svo allir geti hlaðið á sama eða svipuðum tíma dags.

Til þess að útskýra þetta betur er ágætt að átta sig á muninum á rafafli og raforku hér. Sjá nánar í Spurt og svarað.

Raforkukerfið

Raforkukerfið er byggt upp af mörgum stigum, sem vanalega eru miðuð út frá spennu. Flestar virkjanir okkar Íslendinga eru á hálendinu en þar fer orkuframleiðslan fram. Frá virkjununum er rafmagnið flutt með háspennulínum, sem eru þessi klassísku möstur sem sjást meðfram vegum og hæðum úti á landi. Rafmagnslínurnar sem flytja þessa orku hafa svera leiðara og eru undir hárri spennu. Þetta er vegna þess að hærri spenna leyfir flutning á orku um langar vegalengdir án þess að mikill hluti orkunnar tapist á leiðinni. Þegar nær kemur höfuðborgarsvæðinu og öðrum þéttbýlisstöðum eru tengivirki og aðveitustöðvar sem spenna niður rafmagnið sem verið er að flytja, þ.e. lækka spennuna og tengja saman stóru háspennulínurnar og þéttbýliskjarnana. Þessar stöðvar eru sjáanlegar t.d. á Korputorgi og Rauðavatni. Í tilfelli Veitna eru svo jarðstrengir milli aðveitustöðva sem flytja orku um höfuðborgarsvæðið áður en spennan er lækkuð niður í 11 kV.

Frá aðveitustöðvunum er þétt nett jarðstrengja sem tengjast dreifistöðvum sem flestir kannast við en þær eru gjarnan í litlum húsum dreifðar um allt höfuðborgarsvæðið. Í dreifistöðvunum er spennan aftur lækkuð niður í neysluspennuna sem eru 230-400V og er sú spenna sem við notum í byggingunum okkar.

Úr dreifistöðvunum liggja jarðstrengir sem fara í götuskápana sem eru gráu stálkassarnir sem flestir ættu einnig að kannast við. Úr þeim liggja síðan enn aðrar línur sem kallast heimtaugar og fara inn í hvert einasta hús eða fyrirtæki.

Myndrænt yfirlit yfir þetta er hægt að sjá hér að neðan.

Til þess að hægt sé að hlaða rafbíl í hleðslustöð heima fyrir þarf orkan að flytjast alla leið frá virkjun á hálendinu í gegnum þessi mismunandi spennustig og inn í hús til okkar. Þetta eru ótrúlega langar vegalengdir og margar mismunandi línur, strengir og spennar á leiðinni sem þola mismikið afl. Þegar fleiri eru komnir á rafbíl gæti verið að einhverjir af strengjunum inni í hverfunum ráði ekki við alla þessa aflnotkun. Með því að álagsstýra rafbílahleðslu er því hægt að lágmarka hversu mikið af þeim þarf að skipta út og þannig nýta orkuinnviðina okkar betur.

Af hverju álagsstýring?

Það sem álagsstýring gengur aðallega út á er ekki að breyta orkunotkuninni, heldur að færa til aflið innan dagsins til þess að jafna betur út álagið. Markmiðið er ekki að minnka rafbílahleðslu því neytendur eiga að geta hlaðið bílana sína eins og þeir vilja. Markmiðið er einfaldlega að hlaða betur og á snjallari hátt svo að það nýti betur kerfið sem á endanum verður ódýrara og traustara fyrir neytendur.

Með tilkomu rafbíla inn á heimili landsmanna verða þeir fljótt stærsta heimilistækið og getur aflnotkun heimilisins margfaldast. Á meðan tiltölulega fáir eru með rafbíla eins og staðan er í dag veldur þetta ekki miklum vandræðum en þegar flest heimili verða komin með rafbíl mun mögulega annað vera upp á teningnum.

Á myndinni að neðan má sjá dæmi um aflnotkun í venjulegu íbúðahverfi yfir sólarhringstímabil. Dökkblái flöturinn táknar venjulega notkun sem er öll notkun sem tengist ekki rafbílum en græni flöturinn táknar rafbílahleðslu.

Ef við byrjum að skoða myndina snemma um morguninn sjáum við að almenn orkunotkun byrjar að aukast. Fólk fer á fætur, kveikir á kaffivélinni og brauðristinni, kveikir ljósin og fer á stjá. Ef við höldum áfram út í daginn, sjáum við að morguntoppurinn kemur í kringum 9:00-10:00 þegar flestir eru að fara í skóla eða vinnu en dettur svo niður yfir miðjan daginn þegar færri eru heima. Í kringum eftirmiðdegið byrjar notkunin aftur að rísa og nær toppi yfir kvöldmatartímann þegar ofnar, hellur, þvottavélar, þurrkarar og önnur stór heimilistæki eru notuð. Svo fellur notkunin niður í átt að nóttinni og byrjar svo aftur að rísa næsta morgun þegar fólk fer aftur á fætur.

Ef við lítum hins vegar á rafbílahleðsluna, þá sjáum við að rafbílahleðslan er að lækka hægt og rólega yfir nóttina. Þetta er vegna þess að flestir stinga bílnum í samband á kvöldin og svo hleður bíllinn um kvöldið og klárast einhvern tímann um nóttina. Eftir að fólk fer á fætur og fer út í daginn er rafbílahleðsla frekar lítil, einfaldlega vegna þess að flestir eru farnir úr húsi á bílnum. Um eftirmiðdaginn byrjar hleðslan að hækka aftur og nær skörpum toppi á sama tíma og almenna orkunotkunin nær toppi, í kringum kvöldmatartímann. Þessi óheppilegu samlegðaráhrif eru það sem álagsstýring reynir að draga úr. Við sjáum að rafbílahleðslan kemur á versta tímanum fyrir kerfið og gerir kvöldtoppinn mun stærri.

Með álagsstýringu er hægt að færa til hleðsluaflið innan dagsins yfir á þann tíma sem hentar betur. Á myndinni að neðan erum við að skoða sama sólarhringinn í sama hverfinu en nú höfum við beitt álagsstýringunni og með því náð að skafa ofan af kvöldtoppnum og færa meiri rafbílahleðslu yfir á nóttina. Þetta gætum við bæði gert með því að nota beina stýringu eða með breytingum á verðskránni. Við sjáum að „dalurinn“ sem myndast um nóttina er nú betur fylltur og álagið er jafnara. Það er einmitt það sem við erum að leitast eftir; að minnka „dalina“ yfir sólarhringinn og jafna álagið.

Þannig fá allir þá hleðslu sem þeir vilja en nú er hún bara tímasett öðruvísi. Hleðsluorkan, þ.e.a.s. sú orka sem bílarnir hlaða inn á batteríin er sú sama í báðum tilvikum. Eins og við sjáum komumst við nú hjá því að fara yfir þolmörkin einfaldlega vegna þess að við dreifðum álaginu á snjallan hátt með því að hlaða betur.

Að lokum

Verkefnið Hlöðum Betur snýr að því að kanna hvaða aðferðir virka og hvernig þegar kemur að álagsstýringu. Eins og áður var tekið fram er markmiðið að fá reynslu og öðlast þekkingu á þessum málum til þess að geta tekist á við aukið rafbílaálag á komandi árum. Í heildina verða rúmlega 150 þátttakendur valdir til þess að taka þátt sem munu fá ókeypis afnot af snjallri hleðslustöð yfir rannsóknartímann. Einnig verður settur upp snjallmælir á heimili þátttakenda en með því er hægt að mæla orkunotkun heimilisins og rafbílsins í sitt hvoru lagi.

Gögnum um orkunotkun verður safnað en með því fást mikilvægar upplýsingar um samspil rafbílahleðslu og heimilisnotkunar. Einnig verða þátttakendur spurðir út í atriði sem snúa að orkunotkun heimilisins eins og fjölda heimilistækja o.fl. Yfir tveggja ára tímabilið verða margar mismunandi álagsstýringaraðferðir prófaðar og verða þátttakendur spurðir út í upplifun sína af hverri útfærslu. Mjög mikilvægt er að skila sömu góðu þjónustu til rafbílaeigenda og hafa áreiðanlega hleðslu öllum stundum.

Ýmsar rannsóknir hafa verið framkvæmdar sem skoða álagsstýringaraðferðir fyrir rafbílahleðslu og þar á meðal á Íslandi en fáar hafa prófað þær aðferðir á raunverulegum neytendum. Það verður því mjög spennandi að sjá hvernig þátttakendur bregðast við breytingum á verðskrá eða beinum stýringum.

Samhliða álagsstýringunni verður viðamikil markaðsrannsókn framkvæmd sem kannar viðhorf Íslendinga til álagsstýringar, hleðslustöðva og annarra þátta sem snúa að rafbílum. Fyrstu niðurstöður verkefnisins verða kynntar eftir helming verkefnatímans, í lok árs 2022 en loka niðurstöður verða tilkynntar í lok árs 2023. Niðurstöðurnar úr verkefninu verða öllum aðgengilegar og geta nýst öðrum aðilum á orkumarkaði við greiningar og þróun kerfa. Með því er tryggt að lærdómurinn og reynslan úr þessu verkefni haldi áfram í að gera orkuskiptin hagkvæmari og betri.

Þetta verkefni hefur fengið styrkveitingu frá Horizon 2020, rannsóknar- og þróunarsjóð Evrópusambandins, undir styrknúmerinu 864242. Rannsóknarefni: LC-SC3-SCC-1-2018-2019-2020: Snjallar borgir og samfélög.

Ábyrgð efnisins sem fram kemur á þessari síðu og í verkefninu Hlöðum betur liggur alfarið hjá höfundum verkefnisins. Efnið þarf ekki endilega að endurspegla skoðanir Evrópusambandins og Framkvæmdastjórn ESB og eru þau ekki ábyrg fyrir notkun á upplýsingum sem koma þar fram.