Role of Energy Storage in Future Power Systems (EMVT 08103)

Titel
Gedistribueerde energieopslag in elektrische auto’s

Door de onvoorspelbaarheid van duurzame energiebronnen, zoals zonnepanelen en windmolens, wordt energieopslag steeds belangrijker. Tegelijkertijd wordt het elektriciteitsnet zwaarder belast door de groeiende populariteit van de elektrische auto. Dit IOP-project onderzoekt de effecten van zulke auto’s op ons toekomstig energiesysteem en de mogelijkheden die ze bieden voor het gedistribueerd opslaan van energie.

“Energieopslag is de heilige graal van de elektriciteitsvoorziening.” Er wordt al heel lang naarstig gezocht naar mogelijkheden om het overschot aan opgewekte energie te kunnen bewaren”, vertelt Lou van der Sluis, hoogleraar elektriciteitsvoorziening aan de Technische Universiteit Delft.“Kolen- en kerncentrales kun je immers niet zomaar uitzetten als ’s nachts de vraag naar stroom veel lager is dan overdag. Voor grootschalige energieopslag in bijvoorbeeld waterbekkens leent ons land zich niet. We moeten daarom in ons elektriciteitsnet zeer nauwkeurig een balans handhaven tussen opwekking en belasting.” In het huidige hoogspanningsnet gebeurt dat door op basis van ervaringsgegevens en goede planning de energieopwekking precies af te stemmen op de geschatte energiebehoefte.

Transitie
Twee ontwikkelingen maken echter zowel de energieopwekking als de belasting van het net onvoorspelbaar. Daardoor wordt het lastig om het energiesysteem in balans te houden. Allereerst ondergaat het elektriciteitsnet een transitie van een situatie  met enkele grote centrales naar een situatie met een groot aantal kleinere, duurzame energiebronnen. In een eerder IOP-project werd daarom met behulp van stochastiek en kansberekening onderzocht hoe de onzekerheid van wind – een zeer  fluctuerende energiebron – kan worden meegenomen in de planning van de centrales. Daarnaast neemt het aantal elektrische auto’s sterk toe: naar schatting rijden er in 2020 in Nederland 1 miljoen van rond. Het project “Role of Energy Storage in Future Power Systems”, waar onder meer TenneT, Alfen, KEMA en Essent bij betrokken zijn, doet onderzoek naar de effecten van grootschalig gebruik van elektrische auto’s op het toekomstige elektriciteitsnet.

EV2G
Hoewel het opladen van de accu’s in elektrische auto’s het net extra belast, bieden ze ook interessante mogelijkheden. “Door de accu’s op te laden als de zon schijnt, kunnen huishoudens met zonnepanelen hun eigen energieoverschot lokaal opslaan”, zegt Van der Sluis. “Dat heeft als voordeel voor netbeheerders dat er minder energie aan het elektriciteitsnet wordt geleverd. Toelevering op grote schaal vergroot namelijk de kans op netinstabiliteit.” Daarnaast kan het opladen van de accu’s fungeren als extra belasting op het net, bijvoorbeeld wanneer ineens de wind opsteekt. Zo raakt het elektriciteitsbedrijf zijn energieoverschot kwijt. Tot slot dient de lokaal opgeslagen energie tijdens piekuren op het net als buffer. Het energiebedrijf ontlaadt dan de accu’s, ervoor zorgend dat ze weer opgeladen zijn voordat de gebruiker de auto nodig heeft. Dit concept wordt electric-vehicle-to-grid (EV2G) genoemd.

Slim laden
De grote vraag is hoe we onze toekomstige elektriciteitsvoorziening op deze ontwikkelingen kunnen voorbereiden. Moet het net worden aangepast, en zo ja, hoe? “Er is grote behoefte aan voorspellende modellen”, zegt Van der Sluis. “Maar het probleem is dat zowel de hoeveelheid windenergie als het rijgedrag van consumenten – en dus hun oplaadmomenten – onvoorspelbaar zijn. Gelukkig kun je ook onvoorspelbaarheid modelleren en voorspellen. Daar komen elektrotechnici in hun eentje niet uit; we hebben wiskundigen met hun stochastische technieken nodig.” In dit IOP-project modelleerden die eerst het huidige rijgedrag, gebruikmakend van de uitkomsten van het mobiliteitsonderzoek van het ministerie van Verkeer en Waterstaat. Middels aannames over het aantal en het soort gebruik van elektrische auto’s in 2020 voerden ze simulaties uit om te bepalen op welke tijdstippen welke hoeveelheid energie voor het opladen nodig is. “Vervolgens onderzochten ze de impact daarvan op het belastingprofiel van het Nederlandse net voor drie scenario’s: de accu opladen wanneer je wilt, naar keuze opladen in duurdere of goedkopere periodes en smart charging. In dat laatste geval bepaalt het systeem, binnen de randvoorwaarden van de gebruiker, wat de beste tijd is om te laden.” Slim laden blijkt voor de belasting van het net inderdaad het slimst: zodra het gaat waaien fungeren de accu’s als extra belasting, zodat er geen windenergie verloren gaat.

Noordwest-Europa
Niet alleen voor Nederland, maar ook voor heel Noordwest-Europa zijn de gevolgen van elektrische auto’s op het elektriciteitsnet in 2020 onderzocht. Kunnen de centrales die deze landen dan hebben – een mix van kolen-, gas- en kernenergie en offshore en onshore windparken – de extra energiebehoefte van elektrische auto’s aan? In welk scenario wordt windenergie optimaal benut, rekening houdend met de mobiliteitspatronen in de ons omringende landen? Opnieuw blijkt slim laden het beste scenario: dan gaat volgens de simulaties de minste windenergie verloren, daalt de CO2-uitstoot van het Noordwest-Europese systeem het meest, en zijn de operationele kosten vergeleken met de andere scenario’s het laagst.

Gedistribueerde energieopslag
In het laatste jaar van het project wordt het electric-vehicle-to-grid (EV2G) onderzocht, waarbij de accu’s in 2020 tijdens piekuren energie afstaan aan het net en dus als buffer fungeren. Van der Sluis: “Ook hier is sprake van een stochastisch probleem: je weet niet wanneer de auto’s op het net zijn aangesloten en hoeveel energie de accu bevat. Tegelijkertijd heb je te maken met time constraints: op een bepaald moment moeten die auto’s wel kunnen rijden.” Het EV2G-model waar de onderzoekers nu aan werken moet al die onzekerheden meenemen en duidelijkheid bieden hoe flexibel het net wordt van deze vorm van gedistribueerde energieopslag. Is er op piekuren inderdaad
voldoende energie voorradig? “Met al deze modellen, scenario’s en simulaties krijgen elektriciteitsbedrijven grip op de toekomst. Zo kunnen we het onvoorspelbare voorspellen.” En daarmee komt het ei van Columbus voor de energieopslag van de elektriciteitsvoorziening in zicht.

Belastingprofiel voor het Nederlandse elektriciteitsnet in 2020, uitgaande van 1 miljoen elektrische auto’s, voor drie scenario’s: de accu opladen wanneer je wilt (EV1), naar keuze opladen maar met een lager tarief vanaf 21.00 uur (EV2), en smart charging, waarbij het systeem bepaalt wat de beste tijd is om te laden (EV3).

UITVOERDERS
TUD – Electrical Power Systems (EPS)
ir. G. Papaefthymiou (aio)
prof.ir. L. van der Sluis
ir. A. Lojowska

TU Delft – Delft Institute of Applied Mathematics (DIAM)
dr. ir. D. Kurowicka

ONDERZOEKSPERIODE
2009 – 2013

PARTNERS
Alfen
CCM
Ecofys
Essent
KEMA
TenneT