Ontwerpcriteria!voor!snellaadstations! voor!elektrische!wagens!gebaseerd!op! Vlaams!mobiliteitsgedrag.!

! !

! ! ! ! !

Ontwerpcriteria!voor!snellaadstations! voor!elektrische!wagens!gebaseerd!op! Vlaams!mobiliteitsgedrag.! ! Nick%Machiels% ! ! Thesis!voorgedragen!tot!het!! behalen!van!de!graad!van!Master!! in!de!ingenieurswetenschappen:!! elektrische!energie! ! Promotor! Prof.!dr.!ir.!Johan!Driesen! ! ! ! ! !

Academiejaar!2011!–!2012!

Master!in!de!ingenieurswetenschappen:!elektrische!energie! ! !

! ! !

!

! !

! !

! ! ! ! ! ! ! !

Ontwerpcriteria!voor!snellaadstations! voor!elektrische!wagens!gebaseerd!op! Vlaams!mobiliteitsgedrag.! ! Nick%Machiels% ! ! Thesis!voorgedragen!tot!het!! behalen!van!de!graad!van!Master!! in!de!ingenieurswetenschappen:!! elektrische!energie! ! Promotor! Prof.!dr.!ir.!Johan!Driesen! Assessoren! Ir.!Richard!Marcelis! Dr.!Jeroen!Büscher! Begeleiders! Ir.!Niels!Leemput! Ir.!Frederik!Geth! Ir.!Juan!Van!Roy! !

Academiejaar!2011!–!2012! ! !

! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ©!Copyright!by!K.U.Leuven! ! Zonder!voorafgaande!schriftelijke!toestemming!van!zowel!de!promoter(en)!als!de!auteur(s)! is! overnemen,! kopiëren,! gebruiken! of! realiseren! van! deze! uitgave! of! gedeelten! ervan! verboden.! Voor! aanvragen! tot! of! informatie! i.v.m.! het! overnemen! en/of! gebruik! en/of! realisatie! van! gedeelten! uit! deze! publicatie,! wend! u! tot! de! K.U.Leuven,! Faculteit! Ingenieurswetenschappen! U! Kasteelpark! Arenberg! 1,! BU3001! Heverlee! (België).! Telefoon! +32U16U32!13!50!&!Fax.!+32U16U32!19!88.! Voorafgaande! schriftelijke! toestemming! van! de! promoter(en)! is! eveneens! vereist! voor! het! aanwenden! van! de! in! dit! afstudeerwerk! beschreven! (originele)! methoden,! producten,! schakelingen!en!programma’s!voor!industrieel!of!commercieel!nut!en!voor!de!inzending!van! deze!publicatie!ter!deelname!aan!wetenschappelijke!prijzen!of!wedstrijden.! ! ©!Copyright!by!K.U.Leuven! ! Without!written!permission!of!the!supervisor(s)!and!the!authors!it!is!forbidden!to!reproduce! or!adapt!in!any!form!or!by!any!means!any!part!of!this!publication.!Requests!for!obtaining!the! right! to! reproduce! or! utilize! parts! of! this! publication! should! be! addressed! to! K.U.Leuven,! Faculty! of! Engineering! U! Kasteelpark! Arenberg! 1,! BU3001! Heverlee! (Belgium).! Telephone! +32U16U32!13!50!&!Fax.!+32U16U32!19!88.! ! A! written! permission! of! the! supervisor(s)! is! also! required! to! use! the! methods,! products,! schematics! and! programs! described! in! this! work! for! industrial! or! commercial! use,! and! for! submitting!this!publication!in!scientific!contests.!

! !

! ! !

! !

! !

Voorwoord! Ik! heb! het! afgelopen! jaar! het! geluk! gekend! om! aan! een! masterthesis! te! werken! die! zich!op!het!kruispunt!van!mijn!interesses!bevindt.!Ten!eerste!elektrische!mobiliteit.! We!zitten!nu!waarschijnlijk!aan!het!begin!van!wat!een!erg!bewogen!evolutie!belooft! te! worden.! De! nieuwe! technologische! concepten! bieden! geweldige! nieuwe! uitdagingen! voor! de! ingenieurs! van! vandaag! en! morgen.! Ook! de! integratie! ervan! in! de!samenleving!zal!hopelijk!aanzetten!tot!vindingrijkheid,!nieuwe!ideeën!en!mensen! die!het!beste!van!zichzelf!tonen!om!de!samenleving!het!beste!te!bieden.!Ik!hoop!dat! mijn!eindwerk!een!bescheiden!bijdrage!mag!bieden.! Een!tweede!onderdeel!van!deze!thesis,!dat!zich!dit!jaar!erg!duidelijk!gemanifesteerd! heeft! als! een! van! mijn! voorliefdes,! is! de! vertaling! van! praktische! technische! problemen! naar! computermodellen.! Matlab! heeft! hierbij! zijn! beste! kanten! laten! ontdekken.! De! uitdagingen! om! technische! assumpties,! natuurkundige! wetmatigheden!en!zelfs!sociaal!gedrag!te!vertalen!in!wiskunde!en!programmalijnen! hebben!me!dag!en!nacht!bezig!gehouden,!fascinerend!! Ik!ben!erg!dankbaar!voor!de! vrijheid!die!ik!genoten!heb!om!hier!gebruik!van!te!maken!voor!mijn!eindwerk.! Een!derde!geluk!dat!ik!gekend!heb,!is!dat!drie!ongelooflijke!assistenten!me!geweldig! geholpen! en! gemotiveerd! hebben! gedurende! heel! het! project.! Hoewel! belast! met! talrijke! andere! thesissen,! projecten,! papers! en! de! oneindige! onwetendheid! van! studenten! (mezelf! inbegrepen),! kreeg! ik! bij! elke! samenkomst! weer! het! gevoel! dat! mijn! eindwerk! het! enige! was! waar! ze! zich! mee! bezig! hielden.! Ik! wil! expliciet! Juan! bedanken! voor! zijn! intensieve! leesU! en! verbeterwerk,! Niels! voor! de! aanstekelijke! motivatie! en! enthousiasme! en! Frederik! voor! zijn! bijsturingen! die! me! steeds! terug! naar!de!essentie!leidden.!Ik!wens!ze!heel!veel!succes!toe!in!hun!verdere!carrière.! Ik!wens!Johan!Driesen!en!Richard!Marcelis!eveneens!te!bedanken.!Hun!tussentijdse! aanwijzingen! en! inzichten! hebben! me! erg! geholpen! bij! mijn! poging! om! van! dit! eindwerk! een! waardevol! en! interessant! werk! te! maken.! Ik! weet! niet! hoe! prof.! Driesen!er!in!slaagt!1001!zaken!tegelijk!te!coördineren!zonder!totaal!de!controle!te! verliezen,!maar!ik!bied!een!luisterend!oor!voor!zijn!geheime!methode.! Ten! slotte! wens! ik! familie! en! vrienden! te! bedanken.! Mijn! zus! Nathalie,! om! elk! weekend!wat!te!hebben!om!naar!uit!te!kijken!en!haar!eigen!thesis!als!(onbereikbare)! richtwaarde! op! te! stellen.! Emile,! voor! zijn! technisch! inzicht! bij! uitzichtloze! momenten.! Mijn! broers! Tom! en! Laurent,! voor! hun! steun! bij! het! kraken! van! die! laatste!harde!noten.!Maar!vooral!mijn!ouders,!om!er!24!op!24,!7!op!7!voor!mij!te!zijn! en!er!voor!te!zorgen!dat!ik!me!om!niets!anders!zorgen!moest!maken!dan!mijn!werk.! De! ontspannende! momenten! tussendoor! met! vrienden! en! medestudenten! maakten! het!werk!een!stuk!aangenamer.!Samen!in!de!bib!gaan!werken!of!gaan!eten!doet!het! moreel!steeds!weer!in!de!hoogte!schieten.!Ik!wens!ze!allen!het!allerbeste!toe.!! Nick%Machiels% i! !

! !

Inhoudsopgave! Voorwoord!...................................................................................................................................................!i! Inhoudsopgave!..........................................................................................................................................!ii! Samenvatting!............................................................................................................................................!iv! Lijst!van!figuren!........................................................................................................................................!v! Lijst!van!tabellen!...................................................................................................................................!vii! Afkortingen!............................................................................................................................................!viii! Hoofdstuk!1.!Inleiding!............................................................................................................................!1! 1.1!Drijfveren!voor!elektrische!mobiliteit!.....................................................................................................!1! 1.2!Nood!aan!nieuwe!infrastructuur!...............................................................................................................!2! Hoofdstuk!2.!Laadgedrag!.......................................................................................................................!3! 2.1!Startdata!..............................................................................................................................................................!4! 2.2!Assumpties!.........................................................................................................................................................!5! 2.2.1!Sociaal!gerelateerde!assumpties!.......................................................................................................!5! 2.2.2!Technisch!gerelateerde!assumpties!.................................................................................................!7! 2.3!Resultaten!...........................................................................................................................................................!8! 2.3.1!State!of!Charge!..........................................................................................................................................!8! 2.3.2!Vereist!vermogen!aan!het!laadstation!..........................................................................................!11! 2.3.3!Verdeling!over!laadlocaties!..............................................................................................................!12! 2.3.4!Laadplaatsen!..........................................................................................................................................!13! 2.4!Sensitiviteitsanalyse!.....................................................................................................................................!14! 2.4.1!Minimale!SOCUwaarde!........................................................................................................................!14! 2.4.2!Batterijgrootte!.......................................................................................................................................!16! 2.4.3!Mogelijkheid!tot!openbaar!traag!laden!........................................................................................!18! 2.4.4!SOC!bij!thuiskomst!...............................................................................................................................!19! 2.5!Besluit!................................................................................................................................................................!20! Hoofdstuk!3.!Ontwerp!van!het!snellaadstation!............................................................................!22! 3.1!Geografische!plaatsing!van!het!station!.................................................................................................!23! 3.2!Snelladers!.........................................................................................................................................................!24! 3.2.1!Keuze!van!standaard!voor!de!snellader!......................................................................................!24! 3.2.2!Laadprocedure!......................................................................................................................................!25! ii! !

! ! 3.3!Energieopslag!..................................................................................................................................................!26! 3.3.1!Nut!van!energieopslag!........................................................................................................................!26! 3.3.2!Keuze!van!energieopslag!...................................................................................................................!26! 3.4!Fotovoltaïsch!systeem!.................................................................................................................................!28! 3.5!Aansluiting!op!het!elektriciteitsnet!........................................................................................................!31! 3.6!Technische!beschrijving!van!de!simulatie!...........................................................................................!31! 3.7!Berekening!van!het!maximaal!leverbare!vermogen!en!SOC!.........................................................!34! 3.8!Besluit!................................................................................................................................................................!35! Hoofdstuk!4.!Resultaten!van!het!model!..........................................................................................!37! 4.1!Referentiemodel!.............................................................................................................................................!37! 4.2!Vermogen!van!het!fotovoltaïsch!systeem!............................................................................................!39! 4.3!Vermogen!naar!de!wagens!.........................................................................................................................!39! 4.4!Netvermogen!...................................................................................................................................................!40! 4.5!SOC!energieopslag!.........................................................................................................................................!41! 4.6!Netefficiëntie!...................................................................................................................................................!41! 4.7!Energiebalans!..................................................................................................................................................!42! 4.8!Besluit!................................................................................................................................................................!44! Hoofdstuk!5.!Gedrag!van!het!station!onder!verschillende!configuraties.!............................!45! 5.1!TradeUoff!netaansluiting!–!energieopslag!............................................................................................!45! 5.1.1!Simulatie!A.!Grote!netaansluiting,!kleine!energieopslag!......................................................!48! 5.1.2!Simulatie!B.!Middelgrote!netaansluiting!en!energieopslag!.................................................!50! 5.1.3!Simulatie!C.!Kleine!netaansluiting,!grote!energieopslag!.......................................................!52! 5.2!Aandeel!van!de!PVUinstallatie!...................................................................................................................!53! 5.3!Vergelijking!met!vliegwielen!als!energieopslag!................................................................................!58! 5.4!Besluit!................................................................................................................................................................!61! Hoofdstuk!6.!Station!met!beperkte!dekkingsgraad.!...................................................................!63! 6.1!Inleiding!.............................................................................................................................................................!64! 6.2!Scenario!1:!wagens!rijden!door!................................................................................................................!64! 6.3!Scenario!2:!wagens!wachten!.....................................................................................................................!66! 6.4!Besluit!................................................................................................................................................................!68! Hoofdstuk!7.!Algemeen!besluit!.........................................................................................................!69! Appendices!..............................................................................................................................................!72! Appendix!A!Matlab!code!laad!gedrag!............................................................................................................!73! Appendix!B!Matlab!code!modellering!station!............................................................................................!75! Appendix!C!CHAdeMO!standaard!...................................................................................................................!77! Bibliografie!..............................................................................................................................................!79! iii! !

! !

Samenvatting! Elektrische!mobiliteit!vormt!een!mogelijk!oplossing!tot!verminderde!afhankelijkheid! van! fossiele! brandstoffen,! die! steeds! duurder! worden.! Ook! zorgen! elektrische! voertuigen! plaatselijk! voor! geen! extra! uitstoot,! wat! de! luchtkwaliteit! en! dus! volksgezondheid! kan! verbeteren.! Elektrische! voertuigen! vragen! om! een! aangepaste! laadinfrastructuur.! In! deze! thesis! worden! de! ontwerpcriteria! bestudeerd! voor! een! snellaadstation,! dat! de! laadinfrastructuur! verder! aanvult! naast! residentiële! en! openbare! traaglaadvoorziening.! Als! richtjaar! is! 2020! gekozen.! Hiertoe! wordt! een! model!uitgewerkt!dat!uit!twee!delen!bestaat.! Het! eerste! deel! modelleert! de! vermogensU! en! energievraag! a.d.h.v.! data! over! hedendaags! mobiliteitsgedrag! in! Vlaanderen.! De! gesommeerde! vermogensvraag! voor! 1000! wagens! vertoont! een! periodisch! gedrag! met! brede! piekvorming.! Een! sensitiviteitsanalyse! is! uitgevoerd! op! de! belangrijkste! parameters.! Een! deel! van! de! wagens! bezit! een! overgedimensioneerde! batterij! in! verhouding! tot! de! gewenste! mobiliteit.!Een!tweede!groep!bezit!een!batterij!die!dieper!ontladen!wordt,!maar!heeft! geen! nood! aan! snelladen.! Het! overige! deel! heeft! nood! aan! snelladen! om! aan! zijn! mobiliteitsvraag! te! voldoen.! De! grootte! van! deze! laatste! groep! variëert! van! 3!%! tot! 59!%! van! alle! wagens! (best! en! worst! case! scenario).! Slechts! 8!%! en! 24!%! van! de! wagens!komt!respectievelijk!meer!dan!eens!per!dag!en!per!week!herladen.! Het! tweede! deel! van! het! model! simuleert! a.d.h.v.! de! resultaten! van! vermogensU! en! energievraag! het! snellaadstation.! Dit! is! opgedeeld! in! een! netaansluiting,! een! PVU systeem,!energieopslag!en!de!feitelijke!snelladers.!Omdat!de!vermogensvraag!van!de! auto’s!en!vermogenaanbod!van!de!zonnepanelen!geen!gelijktijdigheid!vertonen,!is!er! nood!aan!energieopslag!(loodUzuur!batterijen).!De!functies!van!de!batterijen!zijn!om! de!piek!en!het!dal!in!vermogensvraag!af!te!vlakken!en!de!netaansluiting!te!beperken! in!grootte.!Het!station!wordt!aangestuurd!volgens!een!ruleUbased!algoritme!dat!geen! toekomstige!kennis!gebruikt.!! De! tradeUoff! tussen! energieopslag! en! netaansluiting! voor! een! station! dat! de! vermogensvraag! volledig! beantwoorden! kan,! wordt! uitgebreid! besproken.! Er! blijkt! een! duidelijk! verschil! in! gedrag! van! het! station! voor! kleine,! middelgrote! en! grote! energieopslag.! Voor! kleine! energieopslag! speelt! de! vermogensvraag! de! beperkende! factor,! voor! grotere! energieopslag! de! energievraag.! Dit! is! aangetoond! a.d.h.v.! een! simulatie!voor!elk!van!de!drie!scenario’s.! Ten! slotte! is! gekeken! naar! het! gedrag! van! het! station! bij! beperkte! dekkingsgraad.! Een! vermindering! van! de! laadplaatsen! met! meer! dan! de! helft! (van! 9! naar! 4)! heeft! nog! steeds! een! dekkingsgraad! van! 94!%! tot! gevolg.! Indien! mensen! bereid! zijn! 10!min.!te!wachten!stijgt!de!dekkingsgraad!verder!tot!99!%.! iv! !

! !

Lijst!van!figuren! Figuur!1U1.!!Evolutie!van!de!olieprijs!in!U.S.!dollar!van!2004!tot!mei!2012.!....................!1! Figuur!2U1.!!Overzicht!van!het!model!(1).!......................................................................................!3! Figuur!2U2.!!Evolutie!van!SOC!voor!1000!wagens!(week).!.......................................................!9! Figuur!2U3.!!Evolutie!van!SOC!voor!1000!wagens!(dag).!..........................................................!9! Figuur!2U4.!!Wagens!die!boven!een!bepaalde!SOCUwaarde!blijven.!...................................!10! Figuur!2U5.!!Vereist!vermogen!aan!het!snellaadstation!(week).!..........................................!11! Figuur!2U6.!!Vereist!vermogen!aan!het!snellaadstation!(dag).!.............................................!12! Figuur!2U7.!!Aantal!nodige!staanplaatsen!voor!volledige!dekkingsraad.!.........................!13! Figuur!2U8.!!Aantal!laadbeurten!per!dag!(links)!en!per!week!(rechts).!............................!14! Figuur!2U9.!!Impact!minimale!SOC!op!minimaal!bereikte!SOC.!............................................!15! Figuur!2U10.!!Impact!batterijgrootte!op!minimaal!bereikte!SOC.!........................................!17! Figuur!2U11.!!Impact!kans!op!openbaar!laden!op!minimaal!bereikte!SOC.!.....................!19! Figuur!2U12.!!Minimaal!bereikte!SOC!voor!de!worst!en!best!case!scenario.!...................!21! Figuur!3U1.!!Overzicht!van!het!model!(2).!....................................................................................!22! Figuur!3U2.!!Schematische!voorstelling!van!het!station.!.........................................................!23! Figuur!3U3.!!Minimaal,!gemiddeld!en!maximaal!vermogen!van!PVUsysteem.!.................!29! Figuur!3U4.!!Energie!uit!zonnepanelen!en!best!fit.!....................................................................!30! Figuur!3U5.!!Beslissingsschema!laadstation.!................................................................................!33! Figuur!4U1.!!De!belangrijkste!inU!en!output!voor!het!station!(v.b.n.o.:!SOC,! netvermogen,!PVUvermogen!en!vereist!vermogen).!................................................................!38! Figuur!4U2.!!Herkomst!van!vermogenstroom!in!het!station!over!een!week!tijd.!..........!40! Figuur!4U3.!!SankeyUdiagramma!met!de!energie!in!en!uit!het!station.!..............................!43! Figuur!5U1.!!TradeUoff!tussen!grootte!energieopslag!en!netvermogen.!............................!47! Figuur!5U2.!!Netefficiëntie!in!functie!van!grootte!energieopslag.!.......................................!47! Figuur!5U3.!!Totale!efficiëntie!van!het!station!i.f.v.!de!grootte!van!de!energieopslag.!48! Figuur!5U4.!!SOC!en!netvermogen!voor!simulatie!A.!................................................................!49! Figuur!5U5.!!Herkomst!van!vermogenscapaciteit!voor!simulatie!A.!...................................!49! v! !

! ! Figuur!5U6.!!Sankey!diagramma!voor!de!energie!in!simulatie!A.!.........................................!50! Figuur!5U7.!!SOC!en!netvermogen!voor!simulatie!B.!................................................................!51! Figuur!5U8.!!Herkomst!van!vermogenscapaciteit!voor!simulatie!B.!...................................!52! Figuur!5U9.!!SankeyUdiagramma!voor!de!energie!in!simulatie!B.!........................................!52! Figuur!5U10.!!SOC!en!netvermogen!voor!simulatie!C.!..............................................................!53! Figuur!5U11.!!Herkomst!van!vermogenscapaciteit!voor!simulatie!C.!................................!54! Figuur!5U12.!!SankeyUdiagramma!voor!de!energie!in!simulatie!C.!......................................!54! Figuur!5U13.!!SOC!en!netvermogen!voor!simulatie!met!600!kW!aan!PVUvermogen.!...!56! Figuur!5U14.!!SankeyUdiagramma!van!de!energie!voor!de!simulatie!met!600!kW!aan! PVUvermogen.!..........................................................................................................................................!56! Figuur!5U15.!!Invloed!piekvermogen!van!PVUinstallatie!op!de!totale!efficiëntie!van!het! station.!........................................................................................................................................................!57! Figuur!5U16.!!TradeUoff!tussen!maximaal!netvermogen!en!energieopslag!voor! verschillende!piekvermogens!van!de!PVUinstallatie.!...............................................................!58! Figuur!5U17.!!Invloed!piekvermogen!van!PVUinstallatie!op!de!netefficiëntie.!................!58! Figuur!5U18.!!Herkomst!van!vermogen!voor!simulatie!met!600!kW!aan!PVUvermogen. !.......................................................................................................................................................................!58! Figuur!5U19.!!Vergelijking!van!totale!efficiëntie!van!het!station!voor!batterijen!en! vliegwielen.!..............................................................................................................................................!60! Figuur!5U20.!!Vergelijking!van!netefficiëntie!in!functie!van!grootte!energieopslag! voor!batterijen!en!vliegwielen.!.........................................................................................................!60! Figuur!5U21.!!Vergelijking!van!tradeUoff!tussen!grootte!energieopslag!en! netvermogen!voor!batterijen!en!vliegwielen.!.............................................................................!61! Figuur!5U22.!!Evolutie!van!de!laadtoestand!van!de!vliegwielen!over!een!week!tijd.!...!62! Figuur!6U1.!!Plaatsbezetting!over!een!week!tijd.!.......................................................................!64! Figuur!6U2.!!BezettingsU!en!dekkingsgraad!per!aantal!staanplaatsen!(laadplaatsen).!65! Figuur!6U3.!!TradeUoff!tussen!netaansluiting!en!energieopslag!voor!verschillend! aantal!laadplaatsen.!..............................................................................................................................!66! Figuur!6U4.!!Netefficiëntie!i.f.v.!energieopslag!voor!verschillend!aantal!laadplaatsen. !.......................................................................................................................................................................!67! Figuur!6U5.!!Dekkingsgraad!i.f.v.!aantal!laadplaatsen!en!wachttijd.!...................................!68! Figuur!6U6.!!TradeUoff!tussen!netaansluiting!en!energieopslag!voor!3!laadplaatsen!en! verschillende!maximale!wachttijden.!............................................................................................!69! ! !

!

vi! !

! !

Lijst!van!tabellen! ! Tabel!2U1!Schatting!van!nominale!en!effectieve!batterijgrootte!in!het!heden!en!2020. !.........................................................................................................................................................................!5! Tabel!2U2.!!Equivalent!laadgedrag.!....................................................................................................!6! Tabel!2U3.!!Vermogen!traagladen!en!marges.!...............................................................................!7! Tabel!2U4.!!Verdeling!energievraag!over!laadlocaties!voor!een!dag.!.................................!12! Tabel!2U5.!!Sensitiviteit!op!minimale!SOC.!...................................................................................!15! Tabel!2U6.!!Sensitiviteit!op!energieUinhoud!batterijen.!...........................................................!17! Tabel!2U7.!!Sensitiviteit!op!mogelijkheid!tot!laden!op!openbare!locaties.!.......................!18! Tabel!2U8.!!Sensitiviteit!op!gewenste!SOC!waarde!bij!thuiskomst.!.....................................!20! Tabel!2U9.!!Verwachte!energieU!en!vermogensvraag.!...............................................................!21! Tabel!3U1.!!Minimale,!gemiddelde!en!maximale!laadtijden.!..................................................!25! Tabel!3U2.!!Verschillende!soorten!energieopslagtechnologie.!.............................................!27! Tabel!3U3.!!Belangrijkste!parameters!batterij!station.!............................................................!28! Tabel!3U4.!!Specificaties!PV!cellen.!..................................................................................................!29! Tabel!3U5.!!Extrema!en!gemiddelde!energie!uit!PV!cellen!per!dag.!....................................!30! Tabel!3U6.!!Waarden!van!fourier!fit!voor!zonneUenergie.!.......................................................!31! Tabel!3U7.!!Belangrijkste!parameters!voor!het!model!van!het!station.!.............................!32! Tabel!4U1.!!Stationsgerelateerde!gegevens!van!de!voorbeeldsimulatie.!..........................!39! Tabel!5U1.!!Gekozen!combinaties!van!netvermogen!en!energieopslag!per!simulatie.!47! Tabel!5U2.!!Parameters!voor!de!simulatie!met!600!kW!aan!PVUvermogen.!....................!55! Tabel!5U3.!!Specificaties!van!het!vliegwiel,!gebruikt!voor!het!model.!...............................!59! Tabel!6U1.!!Gemiddelde!wachttijd!per!aantal!laadplaatsen!(en!maximale!wachttijd).68! ! !

!

vii! !

! !

Afkortingen! SOC!

effective!State!of!Charge!

U!

effectieve!laadtoestand!

SOC!NOM!

nominal!State!of!Charge!

U!

nominale!laadtoestand!

AC!

Alternating!Current!

U!

wisselstroom!

DC!

Direct!Current!

U!

gelijkstroom!

PV!

PhotoUVoltaics!

U!

zonnepanelen!

EV!

Electric!Vehicle!

U!

elektrisch!voertuig!

Symbolen! EBAT!SPEC!

Specifieke!energiedichtheid!van!de!batterij!

[Wh/kg]!

PBAT!SPEC!

Specifieke!vermogensdichtheid!van!de!batterij!

[W/kg]!

ρE!

Energiedichtheid!van!de!batterij!van!het!station!

[Wh/l]!

fZOL!

Zelfontladingsfactor!van!de!batterij!van!het!station!

[1/min]!

fEFF!

Effectief!bruikbaar!deel!van!energie!in!de!batterij!

[U]!

ηBAT!

Efficiëntie!bij!het!(ont)laden!van!de!batterij!

[U]!

ηPV!

Efficiëntie!van!de!PVUinvertor!

[U]!

ηSNELLADER!

Efficiëntie!van!een!snellader!

[U]!

PWAGENS!

Vermogensvraag!van!de!wagens!!

[kW]!

PNET!

Netvermogen!

[kW]!

Omzettingsfactoren! kWh!

kilowattuur! =! 3!600!000!Joule!

MWh!

Megawattuur!=! 3!600!000!000!Joule!

! viii! !

Hoofdstuk!1. Inleiding! 1.1!Drijfveren!voor!elektrische!mobiliteit! Elektrische! mobiliteit! is! bezig! aan! zijn! opmars.! De! stijgende! olieprijs! verhoogt! de! interesse! naar! alternatieve! transportmogelijkheden,! niet! enkel! uit! economische! overwegingen!maar!ook!de!verhoogde!energieonafhankelijkheid!speelt!een!centrale! rol.! Figuur! 1U1! beeldt! de! olieprijs! af! van! de! afgelopen! 8! jaar.! De! prijs! vertoont! een! sterk!stijgende!trend!tot!midden!2008.!De!economische!en!financiële!crisis!heeft!het! peil! teruggebracht! tot! dat! van! 2005,! maar! sindsdien! groeit! de! prijs! weer! sterk! aan.! Het!gevolg!van!de!dure!brandstof!is!dat!mensen!de!financiële!voordelen!beginnen!in! te!zien!van!elektrische!voertuigen!(EV).! !

! Figuur!1S1.!!Evolutie!van!de!olieprijs!in!U.S.!dollar!van!2004!tot!mei!2012,![3].!!

Daarnaast! biedt! elektrisch! transport! de! mogelijkheid! tot! reductie! van! emissies! van! CO2! en! fijn! stof,! wat! de! volksgezondheid! ten! goede! komt! [1].! Ten! slotte! zijn! elektrische! voertuigen! energieUefficiënter! (in! MJ/km)! dan! conventionele! voertuigen! [2].! Een! studie! van! het! EPRI! voorspelt! dat! indien! elektrische! voertuigen! hun! plaats! vinden! binnen! de! markt! tegen! 2050,! tot! 612! miljoen! ton! aan! CO2! bespaard! kan! worden![1].!Hierbij!is!gerekend!met!de!CO2!die!nodig!is!voor!de!gehele!energiecyclus,! van! bron! tot! het! moment! dat! ze! verbruikt! wordt! in! het! voertuig.! [4]! toont! aan! de! hand! van! twee! meetpunten! in! Antwerpen! aan! dat! het! grootste! deel! aan!schadelijke! NOx!emissies!van!het!verkeer!afkomstig!is.!De!emissienormen!staan!gebundeld!in!de! 1! !

! ! Europese!emissiestandaarden![5].!De!EuroUV!norm!(sinds!oktober!2009!van!kracht)! beperkt! de! toegelaten! emissie! voor! personenvoertuigen! [6].! Het! doel! is! de! gemiddelde!CO2Uuitstoot!voor!nieuwe!wagens!te!reduceren!tot!70!g/km!in!2025![7].!

1.2!Nood!aan!nieuwe!infrastructuur! Conventionele! en! elektrische! voertuigen! hebben! een! heel! verschillende! manier! van! tanken! respectievelijk! laden.! Daar! waar! een! tankstation! 100!%! van! de! vraag! naar! brandstof!moet!dekken,!kunnen!elektrische!voertuigen!in!theorie!overal!laden!waar! een! stekker! beschikbaar! is.! Hierbij! horen! bv.! openbare! parkings! of! garages,! staanplaatsen! op! het! werk! en! op! supermarkten,! op! bezoek! bij! vrienden! en! familie.! Vooral! de! mogelijkheid! tot! thuisladen! biedt! een! bron! van! flexibiliteit.! Deze! residentiële! en! openbare! (traag)laadinfrastructuur! zorgt! ervoor! dat! eventuele! snellaadstations! slechts! een! deel! van! de! energie! voor! EV’s! moeten! leveren.! Anderzijds! bezitten! de! EVUbatterijen! niet! dezelfde! capaciteit! tot! vermogenopname,! vergeleken! met! een! brandstoftank.! Vandaag! gebeurt! onderzoek! om! laden! aan! meer! dan!200!kW!mogelijk!te!maken![8],!maar!dit!zit!nog!in!de!experimentele!fase,!en!het! is! niet! gegarandeerd! dat! alle! batterijen! deze! vermogens! aan! kunnen! zonder! beschadigd!te!worden.!! In! dit! eindwerk! wordt! onderzocht! hoe! een! snellaadstation! ontworpen! en! uitgebaat! zou! kunnen! worden.! Dit! laadstation! zou! deel! uitmaken! van! de! totale! laadinfrastructuur,!naast!de!residentiële!en!openbare!laadvoorziening.!Het!doel!voor! ogen! is! om! de! volledige! laadvraag! te! beantwoorden.! Aangezien! het! station! zou! fungeren!in!een!samenleving!met!een!niet!verwaarloosbaar!aandeel!aan!elektrische! voertuigen,! is! het! doeljaar! 2020,! niet! 2012.! Eerst! wordt! berekend! wat! het! geaggregeerde! laadprofiel! is! per! 1000! wagens,! indien! deze! hun! mobiliteit! niet! beperken!wegens!een!overschakeling!van!conventionele!naar!elektrische!voertuigen.! Voor! het! model! wordt! gefocust! op! zuiver! elektrische! voertuigen! die! een! batterij! bezitten! als! energiedrager! en! elektrische! motoren! als! aandrijving.! PlugUin! hybride! voertuigen! zijn! hier! buiten! beschouwing! gelaten.! In! een! verderzetting! van! dit! onderzoek!kunnen!ook!dit!soort!wagens!mee!in!rekening!gebracht!worden.!! Er! worden! geen! assumpties! gemaakt! over! de! toekomstige! penetratiegraad! van! elektrische! mobiliteit,! aangezien! hier! geen! betrouwbare! cijfers! over! bestaan.! De! belasting! van! het! station! is! het! gevolg! van! een! volledige! dekking! van! 1000! wagens.! Er! wordt! dus! per! 1000! wagens! gerekend,! niet! per! geografische! zone! of! totale! dekkingsgraad.! Hoewel! het! station! niet! eenvoudigweg! gescaleerd! kan! worden! (zie! paragraaf!3.1),!kunnen!bv.!voor!2000!wagens!2!station!geïnstalleerd!worden!enz.!! Voor!verschillende!redenen!is!gezocht!naar!een!ontwerp!met!een!beperkte!belasting! op!het!net.!Ten!eerste!moet!het!station!inzetbaar!zijn!in!licht!bevolkte!regio’s,!waar! niet! eenvoudigweg! zware! netaansluitingen! of! transformatoren! te! installeren! zijn.! Ook! in! grote! stadcentra! is! het! niet! vanzelfsprekend! dat! gegraven! wordt! om! netaansluitingen! aan! te! leggen.! Anderzijds! zullen! de! netbeheerders! in! de! toekomst! reeds! voor! voldoende! uitdagingen! komen! te! staan! (verhoogde! aandeel! aan! hernieuwbare! energie! en! decentrale! opwekking).! Met! een! beperkte! netbelasting! wordt!bedoeld!dat!de!vermogensvraag!naar!het!net!toe!zo!constant!mogelijk!en!niet! te!groot!mag!zijn.!!

2! !

! !

Hoofdstuk!2. Laadgedrag! Om!het!laadstation!te!ontwerpen,!is!een!schatting!van!de!laadvraag!nodig.!Aangezien! er!vandaag!de!dag!slechts!een!zeer!klein!deel!van!de!auto’s!in!Vlaanderen!elektrisch! rijden!(minder!dan!0,05!%,![9]),!is!weinig!data!over!elektrisch!rijgedrag!voorhanden.! Data!over!rijgedrag!van!vloten!conventionele!wagens!is!wel!beschikbaar![10].!Indien! bestuurders!niet!aan!mobiliteitscomfort!wensen!in!te!boeten!bij!een!overschakeling! naar! elektrische! wagens,! kan! verplaatsingsdata! over! conventionele! wagens! als! startpunt! dienen! voor! een! model! van! het! laadgedrag! van! elektrische! wagens.! Het! gesimuleerde! snellaadstation! heeft! als! doel! de! laadinfrastructuur! te! bieden,! die! mensen! toelaat! hun! rijgedrag! te! behouden,! indien! deze! overschakelen! naar! elektrische! mobiliteit.! Uit! transportgedrag! kan! berekend! worden! in! welke! mate! automobilisten! hun! batterij! benutten,! mochten! ze! elektrische! rijden.! Een! simulatie,! gebaseerd! op! dit! transportgedrag,! laat! toe! een! schatting! te! maken! van! de! vereiste! laadenergie! en! –vermogen.! Figuur! 2U1! toont! een! overzicht! van! de! belangrijkste! onderdelen!van!het!model.! ! data! VERPLAATSINGSGEDRAG! Rijgedrag! Energieverbruik! Sociale!assumpties! Technische!assumpties!

model! LAADGEDRAG! Vereiste!energie! Vereist!vermogen!

Aanstuuralgoritme! Dimensionering!

model! SNELLAADSTATION! !

Figuur!2S1.!!Overzicht!van!het!model!(1).!

3! !

! ! ! Een!eerste!paragraaf!verduidelijkt!hoe!data!over!hedendaags!rijgedrag!een!schatting! toelaat! over! elektrisch! rijU! en! laadgedrag.! De! tweede! paragraaf! verantwoordt! de! verschillende!assumpties!die!gemaakt!zijn,!zowel!die!van!sociale!als!van!technische! aard.! Een! derde! paragraaf! geeft! uitleg! over! de! concrete! berekeningen! en! ontwerpbeslissingen.! Vervolgens! worden! de! resultaten! van! energieU! en! vermogensvraag! van! de! voertuigen! besproken.! Ten! slotte! toont! een! sensitiviteitsanalyse! de! invloed! van! de! belangrijkste! parameters! op! de! nodige! energie!en!minimale!SOC.!De!belangrijkst!MatLab!code!voor!dit!deel!van!het!model!is! bijgevoegd!onder!appendix!A.!

2.1!Startdata! Het!startpunt!voor!de!berekeningen!zijn!40!gesimuleerde!datasets!van!telkens!1000! auto’s! over! een! tijdsvenster! van! zeven! dagen.! De! tijdsresolutie! is! gelijk! aan! een! minuut.!Deze!datasets!zijn!gebaseerd!op![11],!dat!op!zijn!beurt!gebaseerd!is!op!data! van! het! verplaatsingsgedrag! in! Vlaanderen! (OVG,! [9]).! De! datasets! zijn! tot! stand! gekomen! door! op! basis! van! statistieken! in! transportgedrag! rijgedrag! te! simuleren.! Hierbij!zijn!enkel!personenwagens!in!rekening!gebracht,!zowel!voor!persoonlijk!als! voor! werkgerelateerd! gebruik.! Elk! voertuig! uit! deze! datasets! heeft! een! uniek! rijgedrag.!De!data!bevatten!volgende!informatie:! •

voor!elke!minuut!van!de!dag!of!het!voertuig!onderweg!is!of!ergens!stil!staat,!

•

indien! het! voertuig! onderweg! is:! wat! zijn! specifiek! elektrisch! verbruik! is,! in! de! veronderstelling!dat!zuiver!elektrisch!gereden!wordt,!

•

indien!het!voertuig!stil!staat:!waar!het!zich!bevindt.!Dit!kan!thuis,!op!het!werk!of! op! een! andere! locatie! zijn! (deze! laatste! mogelijkheid! wordt! niet! verder! gespecificeerd,! aangezien! dit! hier! niet! van! belang! is).! De! locatie! bepaalt! of! eventueel!geladen!kan!worden,!

•

het!type!voertuig.!Er!wordt!een!onderscheid!gemaakt!tussen!lichte,!middelzware! en! zware! voertuigen.! Elk! type! heeft! zijn! eigen! massa,! luchtweerstand,! verbruik! en! andere! eigenschappen,! die! hun! energieconsumptie! bepalen.! Tabel! 2U1! toont! de! grootte! van! batterij,! die! binnen! het! model! wordt! toegewezen! per! type.! De! grootte!is!bepaald!als!130!%!van!de!huidige!voorkomende!batterijgrootten.!Deze! toename! met! 30!%! dient! als! schatting! van! de! verbetering! van! de! energiedensiteit! van! de! batterijen! in! de! toekomst! (zie! paragraaf! 2.4.2).! De! effectieve! energieUinhoud! wordt! verondersteld! 80!%! van! de! nominale! energieU inhoud!te!bedragen.!Hoe!dieper!de!batterij!elke!keer!ontladen!wordt,!hoe!korter! de! levensduur.! Dit! verband! is! bovendien! exponentieel! [12],! [13].! Een! ontladingsdiepte! van! 80!%! is! hier! gekozen! als! afweging! tussen! de! benuttingsgraad!van!de!energie!en!levensduur!van!de!batterij.! Door!deze!eigenschappen!te!combineren,!kan!bepaald!worden!waar,!wanneer!en! hoeveel! energie! verbruikt! wordt.! Die! energie! is! afkomstig! van! de! batterij! en! zorgt!dus!voor!een!daling!van!de!State!of!Charge!(SOC)1.!De!data!tonen!eveneens!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 1!Met!SOC!wordt,!tenzij!anders!vermeld,!steeds!verwezen!naar!de!effectieve!SOCUwaarde,!dus!

! 4! !

! ! wanneer!de!wagens!thuis!en!eventueel!openbaar!kan!opladen.!Laden!zorgt!voor! een!stijging!van!de!SOC!van!de!batterij.! ! ! Type!voertuig! Licht! Middenzwaar! Zwaar! Nominale!energie!anno!2012!![kWh]!

20!

30!

40!

Effectieve!energie!anno!2012![kWh]!

16!

24!

32!

Nominale!energie!anno!2020![kWh]!

26!

39!

52!

Effectieve!energie!anno!2020![kWh]!

20,8!

31,2!

41,6!

Tabel!2S1!Schatting!van!nominale!en!effectieve!batterijgrootte!in!het!heden!en!2020.!

De!berekeningen!van!alle!afgenomen!en!toegevoegde!energie!van!en!naar!de!batterij! laten! toe! het! verloop! van! de! SOC! over! een! dag! (of! zelfs! week)! te! berekenen.! In! een! volgende! paragraaf! worden! de! assumpties! besproken,! waarmee! de! gevraagde! energieU!en!vermogensvraag!berekend!worden!uit!het!verloop!van!de!SOC.!

2.2!Assumpties! Sociaal! gedrag! laat! zich! niet! gemakkelijk! becijferen! of! modelleren.! Daarom! moeten! bepaalde! assumpties! gemaakt! worden! die! het! modelleren! mogelijk! maken.! Deze! assumpties! moeten! vanzelfsprekend! de! realiteit! zo! dicht! mogelijk! benaderen.! Ten! eerste!zijn!er!sociale!assumpties,!die!het!sociale!rijU!en!laadgedrag!typeren.!Wanneer! voertuigen! laden! en! hoe! veel! energie! ze! hierbij! verbruiken,! behoren! tot! deze! categorie.! Vervolgens! zijn! er! technische! assumpties.! Deze! hebben! meer! betrekking! op! de! technische! grenzen! en! mogelijkheden! tot! laden.! Aan! welk! vermogen! auto’s! thuis!en!op!andere!locaties!laden!en!of!een!auto!de!mogelijkheid!bezit!tot!snelladen,! behoren!tot!deze!categorie.!

2.2.1!Sociaal!gerelateerde!assumpties!! Er! wordt! verondersteld! dat! bestuurders,! wiens! autobatterij! tot! bepaalde! SOCU waarde!gedaald!is,!meteen!zullen!gaan!snelladen.!De!waarde!waarop!geladen!wordt! is!vastgelegd!op!20!%!SOC.!Lager!dan!20!%!SOC!wordt!er!liefst!niet!gereden,!mensen! nemen!niet!graag!het!risico!met!een!lege!batterij!stil!te!vallen2.!Het!is!echter!niet!uit! te!sluiten!dat!indien!het!laadstation!niet!meteen!bereikbaar!is,!bepaalde!wagens!met! een!SOC!lager!dan!20!%!rijden.! Ook! wordt! verondersteld! dat! de! mate! waarin! een! persoon! er! voor! kiest! de! batterij! snel!te!laden,!afhangt!van!de!mobiliteitsbehoefte!voor!de!rest!van!die!dag.!De!batterij! bezit! echter! een! bovengrens! voor! de! SOC! tot! waar! snelgeladen! kan! worden.! Boven! deze! grens! dient! de! laadsnelheid! gereduceerd! te! worden! om! de! maximale! laadspanning!niet!te!overschrijden.!Deze!bovengrens!is!batterijafhankelijk,!maar!is!in! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! het!percentage!van!de!effectief!bruikbare!energie!in!de!batterij.! 2!Dit!is!de!zogenaamde!‘range!anxiety’,!typerend!aan!elektrische!mobiliteit.!

5! !

! ! het! model! voor! redenen! van! eenvoud! gelijk! gesteld! aan! 80!%! SOC.! Hoever! een! persoon!de!batterij!oplaadt!is!afhankelijk!van!het!traject!dat!nog!af!te!leggen!is.!Het! laadgedrag! is! zo! gemodelleerd,! dat! een! snellader3! zo! ver! laadt! tot! deze! zijn! verwachte!ritten!nog!kan!afleggen!en!met!50!%!SOC!van!de!batterij!kan!thuiskomen.! Deze! hoge! waarde! (50!%! SOC)! is! gekozen! omdat! verondersteld! wordt! dat! mensen! verkiezen! kort! snel! te! laden! dan! lang! traag! thuis! te! laden.! Een! andere! veronderstelling! hierbij! is! dat! mensen! willen! thuiskomen! met! nog! een! bepaalde! marge!aan!mobiliteit,!om!onverwachte!ritten!te!kunnen!afleggen.!Deze!50!%!SOC!bij! thuiskomst! is! een! ontwerpparameter,! en! wordt! in! paragraaf! 2.4.4! aan! een! sensitiviteitsanalyse! onderlegd.! Bovenstaande! veronderstellingen! beperken! de! SOC! waarmee!mensen!het!station!verlaten!logischerwijze!tot!het!interval!met!ondergrens! 50!%!en!bovengrens!80!%.!! Binnen! de! simulatie! komt! het! voor! dat! een! beperkt! aantal! wagens! nood! heeft! aan! meerdere! snellaadbeurten! per! dag.! Verder! (in! paragraaf! 2.3.4)! wordt! aangetoond! dat! deze! slechts! een! minderheid! vormen! (8!%).! Het! is! onrealistisch! te! veronderstellen!dat!elke!lading!bij!hetzelfde!laadstation!gebeurt.!De!eerste!lading!zal! bv.! bij! laadstation! 1! plaatsvinden,! een! tweede! bij! laadstation! 2,! dat! zich! op! die! moment! in! de! buurt! van! de! auto! bevindt4.! Een! tweede! voertuig,! dat! voor! de! eerste! laadbeurt!laadstation!2!gebruikt,!benut!voor!zijn!tweede!lading!misschien!station!1.! Wegens! deze! uitwisseling! van! voertuigen! kan! verondersteld! worden,! dat! indien! de! 1000! wagens! uit! de! dataset! allen! gebruik! maken! van! eenzelfde! laadstation,! dit! als! een! aannemelijke! assumptie! geldt.! Per! auto! moeten! dus! geen! meervoudige! laadbeurten! geschrapt! worden! uit! de! datasets,! noch! moeten! extra! laadbeurten! geïntroduceerd! worden.! Fysisch! gezien! zal! het! bij! de! tweede! laadbeurt! om! een! andere!auto!gaan,!maar!voor!het!laadstation!komt!dit!op!het!zelfde!neer.!! Tabel!2U2!visualiseert!het!denkpatroon.!Kortweg!simuleert!het!model!een!laadstation! dat!energie!voorziet!voor!1000!auto’s,!welke!auto’s!dat!ook!zijn.!! !

Fysisch!laadgedrag.! !

Auto!A!

Auto!B!

1e!laadbeurt!

Laadstation!1!

Laadstation!2!

2e!!laadbeurt!

Laadstation!2!

Laadstation!1!

Gemodelleerd!laadgedrag.! !

Auto!A!

Auto!B!

1e!!laadbeurt!

Laadstation!1!

Laadstation!2!

2e!!laadbeurt!

Laadstation!1!

Laadstation!2!

!

Tabel!2S2.!!Equivalent!laadgedrag.!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 3!Met!snellader!wordt!hier!een!gebruiker!van!het!snellaadstation!bedoeld.!Niet!te!verwarren!

met! de! vermogenelektronica! om! een! elektrisch! voertuig! aan! hoog! vermogen! op! te! laden.! In!! de!rest!van!het!werk!zal!het!steeds!om!de!tweede!betekenis!gaan,!tenzij!anders!vermeld.! 4! Dit! gedrag! is! volledig! analoog! bij! het! tanken:! dat! gebeurt! ook! niet! steeds! aan! het! zelfde!

tankstation,!maar!wel!aan!een!tankstation!in!de!buurt!van!waar!de!auto!zich!bevindt.!

6! !

! ! ! Verder! wordt! verondersteld! dat! mensen! niet! gaan! snelladen! indien! ze! daar! geen! nood!aan!hebben.!Praktisch!gezien!zou!iemand!enkel!op!het!station!kunnen!laden,!en! niet!thuis.!De!kans!hierop!wordt!voor!de!eenvoud!van!het!model!verwaarloosd.!Ten! slotte!wordt!verondersteld!dat!mensen!hun!elektrische!wagen!steeds!zullen!opladen! eens!ze!thuis!zijn!of!hiervoor!de!mogelijkheid!hebben.!Dit!garandeert!dat!hun!batterij! oplaadt! terwijl! ze! met! een! andere! activiteit! bezig! zijn.! Ook! mensen! die! geen! garage! hebben,!maar!hun!auto!op!een!parking!of!op!straat!parkeren,!worden!verondersteld! hun!auto!op!te!laden.!Dit!kan!bv.!a.d.h.v.!een!openbaar!laadpunt!of!een!verlengdraad.! Mensen! die! geen! mogelijkheid! hebben! tot! thuisladen! worden! verondersteld! geen! elektrische!auto!te!bezitten.!!

2.2.2!Technisch!gerelateerde!assumpties! In!het!model!wordt!rekening!gehouden!met!drie!mogelijke!laadplaatsen.!Een!eerste! is! thuis.! Het! gaat! hier! om! een! mode! 2! aansluiting.! Een! mode! 2! aansluiting! is! een! elektrische! aansluiting! met! extra! beveiliging! in! de! kabel,! die! de! auto! beschermt.! De! stroom! is! meestal! begrensd! op! 16! A.! Exacte! specificaties! voor! mode! 2! laden! zijn! vastgelegd!door!de!IEC!62196,!online!terug!te!vinden!in![14].!Deze!laadmogelijkheid! wordt! vooral! ’s! nachts! gebruikt! en! levert! een! vermogen! van! iets! minder! dan! 3! kW.! De!distributiespanning!van!230!V!vermenigvuldigd!met!een!stroom!van!16!A5!levert! 3,68!kW.!De!distributiespanning!mag!volgens!de!EN50160!norm!echter!10!%!zakken! [15].! Laadtoestellen! die! gebruikt! worden! om! thuis! traag! te! laden! zijn! geïmplementeerd!als!constantUvermogen!lasten.!Dit!is!de!reden!dat!met!de!maximaal! mogelijke! spanningsval! rekening! dient! gehouden! te! worden.! Daarenboven! kan! een! op!16!A!gedimensioneerd!stopcontact!deze!stroom!niet!constant!leveren.!De!stroom! wordt! beperkt! op! 90!%! van! de! maximale! stroom! waarop! de! zekering! gedimensioneerd! is.! Het! uiteindelijke! vermogen! dat! thuis! gebruikt! kan! worden! is! dus! beperkt! op! 2,98!kW.! De! waarden! zijn! samengevat! in! tabel! 2U3.! Met! een! stopcontact! voorzien! van! een! 20!A! zekering! kan! aan! hoger! vermogen! geladen! worden.!Deze!mogelijkheid!is!niet!in!rekening!gebracht!in!het!model.!! ! !

Spanning![V]!

Stroom![A]!

Vermogen![kW]!

Maximaal!

230!

16,0!

3,68!

Met!10!%!marge!

207!

14,4!

2,98!

Tabel!2S3.!!Vermogen!traagladen!en!marges.!!

Het!snellaadstation!vormt!een!tweede!laadmogelijkheid.!Het!model!voorziet!dat!een! wagen!hier!kan!snelladen!aan!50!kW.!Of!aan!snelladen!gedaan!kan!worden!hangt!af! van! de! gebruikte! accu! en! het! batterij! management! systeem.! Deze! zijn! verschillend! voor! verschillende! automodellen.! De! assumptie! hier! is! dat! alle! auto’s! technisch! compatibel! zijn! met! de! CHAdeMO! standaard! voor! snelladen! [16].! Paragraaf! 3.2.1! gaat! verder! in! op! reden! om! voor! de! CHAdeMO! standaard! te! kiezen.! Sommige! snelladers! met! hogere! vermogens! tot! 250!kW! zijn! compatibel! met! de! CHAdeMO! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 5!Dit!is!de!hoogste!stroom!die!een!standaard!stopcontact!in!een!residentie!met!zekering!van!

16!A!toelaat.!!

7! !

! ! standaard![17].! Ten!slotte!wordt!laden!op!andere!locaties!in!rekening!gebracht.!Het!gaat!om!laden!op! het! werk,! op! restaurant,! bij! winkelcentra,! rustplaatsen! langs! de! autosnelweg,! op! commerciële! locaties,! bij! bezoek,! etc.! Het! is! moeilijk! om! vandaag! te! schatten! waar! laadpunten! voorhanden! zullen! zijn.! Daarom! wordt! een! sensitiviteitsanalyse! uitgevoerd! (zie! sectie! 2.4.3).! Het! laadvermogen! op! openbare! plaatsen! wordt! gelijk! verondersteld!aan!dat!van!thuisladen.! Zowel!thuis!als!op!andere!locaties!wordt!een!laadefficiëntie!van!90!%!verondersteld.! Dit! brengt! zowel! de! verliezen! in! de! gelijkrichter! als! de! thermische! verliezen! in! de! batterij! in! rekening.! Voor! het! snellaadstation! wordt! een! laadefficiëntie! van! 85!%! verondersteld.! [18;! 19]! tonen! de! mogelijkheid! aan! om! aan! een! efficiëntie! van! 93!%! tot! 97!%! te! laden.! [17]! is! een! voorbeeld! van! een! 250! kWUlader! met! een! efficiëntie! bereikt! van! meer! dan! 90!%.! Het! model! voorziet! een! marge! en! stelt! de! efficiëntie! gelijk! aan! 85!%.! Snelladen! heeft! een! lagere! efficiëntie! dan! traag! laden,! wat! voornamelijk! te! wijten! is! aan! de! hogere! thermische! verliezen.! De! batterij! ziet! wel! een!effectieve!energietoename!van!50!kJ!per!seconde.!Het!vermogen!dat!aan!het!net! of! de! batterij! gevraagd! wordt! zal! bij! maximaal! vermogen! 58,8!kW! bedragen,! om! de! totale!verliezen!te!compenseren.!

2.3!Resultaten! De! resultaten! van! het! verplaatsingsmodel! komen! in! dit! deel! aan! bod.! Een! eerste! paragraaf! bespreekt! de! evolutie! van! de! SOC! van! de! batterijen! over! een! tijdsvenster! van! een! week,! vervolgens! in! detail! voor! een! dag.! Uit! het! voorgaande! volgt! de! vermogensvraag,! die! besproken! wordt! in! paragraaf! 2.3.2.! Dit! deel! eindigt! met! een! vergelijking!tussen!de!energie!die!thuis!en!in!het!laadstation!verbruikt!wordt.!

2.3.1!State!of!Charge! Figuur! 2U2! toont! het! verloop! van! de! SOCUwaarden! voor! 1000! wagens! over! een! tijdsvenster! van! een! week.! Voor! elke! minuut! is! afgebeeld! welk! aandeel! van! de! voertuigen!een!SOC!bezit!tussen!twee!waarden.!Het!witte!gedeelte!van!de!figuur!stelt! dus! alle! wagens! voor! met! een! SOC! tussen! de! 90! en! 100!%.! Voor! de! lichtste! schakering! van! grijs! is! dit! 80! tot! 90!%,! en! zo! voort! voor! de! lagere! percentages.! De! legende! rechts! verduidelijkt! het! verband! tussen! SOC! en! grijsschakering.! De! yUas! toont! om! welk! aandeel! van! alle! wagens! het! gaat.! Bij! wijze! van! voorbeeld! heeft! ongeveer! 81!%! van! de! wagens! een! SOC! hoger! dan! 90!%! op! maandagmiddag,! 12! u! (zie!tekening:!zwarte!cirkeltje).!! Tijdens!het!weekend!zakken!de!SOCUwaarden!nog!minder!dan!tijdens!de!week.!Over! de!gehele!week!bereikt!gemiddeld!niet!meer!dan!42!%!van!de!wagens!een!SOC!lager! dan! 90!%.! In! het! weekend! valt! niet! meer! dan! 35!%! van! de! wagens! onder! diezelfde! SOCUwaarde.! De! reden! voor! een! hogere! gemiddelde! SOC! tijdens! het! weekend! is! dat! zaterdag!en!zondag!minder!mensen!hun!auto!gebruiken.!Deze!wagens!laden!thuis!op! aan!het!net!en!verhogen!zo!de!gemiddelde!SOC.!Het!aantal!wagens!dat!een!lage!SOCU waarde!haalt!is!zeer!beperkt.!Onder!de!assumpties!van!de!simulatie!zal!geen!enkele! wagen!een!SOCUwaarde!halen!onder!de!20!%!(dit!is!de!vooropgestelde!ondergrens).! Bij! een! SOC! lager! dan! 20!%,! zal! de! persoon! in! kwestie! meteen! gaan! laden.! Het! 8! !

! ! gemiddelde! van! de! SOC! van! alle! auto’s! over! een! hele! week! is! gelijk! aan! 94!%.! Dit! betekent!dat!het!grootste!deel!van!de!tijd!de!meerderheid!van!de!batterijen!volledig! opgeladen!zijn.!De!personen!die!de!volledige!energieUinhoud!van!hun!batterij!nodig! hebben!om!aan!hun!mobiliteitsvraag!te!voldoen,!vormen!een!minderheid.!Dit!wordt! hieronder! verder! aangetoond.! Bij! deze! resultaten! is! de! impact! van! het! snellaadstation! reeds! in! rekening! gebracht.! Een! deel! van! de! wagens! maakt! dus! al! gebruik!van!het!station.!

! Figuur!2S2.!!Evolutie!van!SOC!voor!1000!wagens!(week).!

Figuur!2U3!zoomt!in!op!een!dag!(maandag).!De!andere!dagen!van!de!week!vertonen! dezelfde! trend! en! piekwaarden,! hoewel! maandag! begint! met! een! iets! hogere!! gemiddelde!SOC!voor!alle!wagens,!aangezien!dit!de!eerste!dag!is!na!het!weekend.!! !

!

9! !

! ! Figuur!2S3.!!Evolutie!van!SOC!voor!1000!wagens!(dag).!

Ook! zaterdag! en! zondag! zijn! gelijkvormig.! De! meeste! auto’s! kunnen! ’s! nachts! lang! genoeg!gebruik!maken!van!een!laadplaats!(thuis!of!openbaar)!om!tot!80!–!100!%!SOC! op!te!laden.!Het!moment!waarop!de!batterijen!het!meest!opgeladen!zijn!valt!rond!7!u! in!de!ochtend.!Dit!is!het!moment!waarop!de!auto’s!’s!nachts!hebben!geladen!en!nog! niet! veel! energie! verbruikt! is.! Het! meest! ontladen! zijn! de! batterijen! rond! 19!u! ‘s! avonds.! Op! dat! moment! hebben! de! meeste! voertuigen! hun! afstand! voor! de! dag! afgelegd! en! moeten! ze! weer! opgeladen! worden.! We! kunnen! hier! van! een! dagelijks! wederkerend!piekU!en!dalgedrag!spreken.! Figuur!2U4!toont!het!aandeel!van!de!auto’s!dat!nooit!onder!een!bepaalde!SOC!daalt.! De!plotse!knik!bij!20!%!SOC!is!te!wijten!aan!het!gesimuleerde!gedrag:!eens!20!%!SOC! bereikt!is,!gaat!de!persoon!in!kwestie!meteen!laden.!De!grafiek!in!kan!in!drie!delen! opgedeeld!worden.!! •

Een! eerste! groep! wagens! (1e! deel! van! de! grafiek)! heeft! de! gehele! week! een! SOC! die! niet! onder! de! 80!%! zakt.! Deze! groep! omvat! 10!%! van! de! wagens.! Deze!wagens!hebben!een!zeer!ruim!gedimensioneerde!batterij!in!verhouding! tot!hun!nood!aan!mobiliteit.!!

•

Een! tweede! groep! (2e! deel! van! de! grafiek)! gebruikt! zijn! batterij! meer! als! de! eerste! groep,! maar! heeft! geen! nood! aan! snelladen! om! aan! zijn! mobiliteitsvraag! te! beantwoorden.! Thuis! of! openbaar! laden! voldoet! voor! deze!groep!mensen.!

•

Een!derde!groep!(3e!deel!van!de!grafiek)!heeft!nood!aan!een!mogelijkheid!tot! snelladen!om!aan!zijn!mobiliteitsvraag!te!voldoen.!Deze!groep!vormt!precies! de!doelgroep!van!het!snellaadstation.!Het!gaat!om!20!%!van!de!wagens.!

!

! Figuur!2S4.!!Wagens!die!boven!een!bepaalde!SOCSwaarde!blijven.!

Figuur! 2U4! illustreert! een! groot! verschil! met! conventioneel! tanken:! tankstations! moeten!100!%!van!de!wagens!dekken!die!benzine!of!diesel!als!brandstof!gebruiken.! 10! !

! ! Voor! elektrische! mobiliteit! ligt! dit! anders.! Het! grootste! deel! van! het! laden! zal! thuis! gebeuren.! Een! beperkt! deel! (hier! 20!%)! moet! door! het! station! gedekt! worden.! Dit! zijn! overigens! niet! steeds! dezelfde! wagens.! Hoe! vaak! dezelfde! wagens! per! week! of! per!dag!laden!wordt!besproken!in!paragraaf!2.3.4.!

2.3.2!Vereist!vermogen!aan!het!laadstation! De! som! van! alle! laadprofielen! van! de! wagens! levert! een! vermogensvraag! aan! het! station.! De! gemiddelde! en! maximale! vermogens! voor! elk! tijdstip,! uitgerekend! over! de! 40! datasets! zijn! afgebeeld! in! figuur! 2U5.! Hierbij! zijn! de! laadverliezen! reeds! opgeteld.!! !

! Figuur!2S5.!!Vereist!vermogen!aan!het!snellaadstation!(week).!

De! laadverliezen! bestaan! uit! de! verliezen! in! de! gelijkrichter! van! de! snellader! en! de! thermische! verliezen! in! de! batterij! zelf.! ‘s! Morgens! is! in! tegenstelling! tot! de! totale! elektriciteitsvraag! in! België6,! geen! verhoging! in! energievraag! te! bemerken.! Elektrische! voertuigen! hebben! op! dat! ogenblik! geen! nood! aan! laadvermogen,! aangezien!ze!’s!nachts!de!tijd!hebben!gehad!te!laden!(zie!figuur!2U3).! De! maximale! vermogenspieken! (maxima! van! het! lichtgrijze! oppervlak)! kunnen! oplopen!tot!drie!maal!de!gemiddelde!vermogenspiek!(maxima!van!de!donker!grijze! oppervlakte).!Dankzij!energieopslag!en!ondersteuning!door!zonneUenergie!betekent! dit!niet!dat!de!netaansluiting!van!het!station!het!maximumvermogen!(ongeveer!400! kW)! moet! kunnen! voeren! (zie! paragraaf! 5.1).! De! gemiddelde! vermogensvraag! ligt! hier!op!27!kW.! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 6!

Op! http://www.elia.be/en/gridUdata/consumptionUgridUforecasts! kan! het! werkelijke! en! voorspelde!elektriciteitsverbruik!in!België!geraadpleegd!worden.!

11! !

! ! Figuur! 2U6! toont! dezelfde! resultaten,! maar! dit! keer! in! meer! detail! voor! een! dag.! De! vermogensvraag!kent!een!geleidelijke!opbouw!vanaf!de!middag!tot!zijn!hoogtepunt! rond! 20!u.! Dit! valt! dus! een! uur! voor! het! minimum! van! de! gemiddelde! SOC,! dat! om! 19!u!plaatsvindt.!De!vraag!loopt!door!tot!laat!op!de!avond.!Dit!is!te!wijten!aan!het!feit! dat!het!precies!die!personen!zijn!die!nog!laat!rijden,!die!nood!hebben!aan!snelladen.! Dit!zijn!de!personen!die!veel!en!laat!onderweg!zijn!met!de!wagen.!Dit!betekent!niet! dat! het! model! impliceert! dat! alle! mensen! gemiddeld! zo! laat! thuiskomen.! Na! middernacht! is! een! steile! daling! te! zien.! Dit! komt! eenvoudigweg! door! het! feit! dat! weinig!mensen!’s!nachts!nog!rijden.!

! Figuur!2S6.!!Vereist!vermogen!aan!het!snellaadstation!(dag).!

2.3.3!Verdeling!over!laadlocaties! Zoals! tabel! 2U4! toont,! is! het! overgrote! deel! van! de! laadenergie! voor! elektrische! voertuigen! afkomstig! van! installaties! die! traag! opladen.! Het! laden! gebeurt! vooral! ’s! nachts! en! thuis.! Dit! is! voordelig! voor! de! energieproducent,! die! zo! ’s! nachts! meer! energie!kwijt!kan.!Tijdens!het!weekend!is!het!aandeel!aan!snelladers!kleiner.!Dit!is!te! wijten!aan!het!feit!dat!een!groot!deel!van!het!woonUwerk!verkeer!dan!wegvalt.!Alle! mensen! die! minder! rijden! dan! op! een! weekdag! en! daarom! geen! nood! hebben! aan! snelladen,!vallen!weg.! !

Week!

Weekend!

Energie![kWh]!

Aandeel![%]!

757!

8,0!

254!

3,5!

Andere!locatie!

9!044!

92,0!

7!083!

96,5!

Totaal!

9!801!

100,0!

7!336!

100,0!

Snellaadstation!

Energie![kWh]!

Aandeel![%]!

12! !

! ! Tabel!2S4.!!Verdeling!energievraag!over!laadlocaties!voor!een!dag.!

2.3.4!Laadplaatsen! In! een! eerste! fase! heeft! het! model! als! doel! de! nodige! infrastructuur! in! te! schatten,! om!100!%!van!de!vermogensvraag!te!voorzien.!Het!is!vanzelfsprekend!dat!dan!voor! elke! wagen! die! wil! laden,! een! laadplaats! voorzien! moet! worden.! Voor! het! feitelijke! laden! is! tijd! nodig! om! te! parkeren,! de! auto! aan! te! sluiten,! te! betalen! en! alle! andere! activiteiten,! waarbij! de! auto! op! een! laadplaats! staat,! maar! er! nog! geen! vermogensoverdracht!is.!Indien!voor!deze!activiteiten!zes!minuten!wordt!gerekend,! vier! minuten! voor! het! laden,! en! twee! minuten! na! het! laden,! toont! figuur! 2U7! het! aantal!laadplaatsen!dat!nodig!is!voor!1000!wagens!over!een!week!tijd.!De!ruwe,!niet! discrete! aard! van! de! donkergrijze! oppervlakte! is! te! wijten! aan! het! feit! dat! dit! een! gemiddelde!is.!

! Figuur!2S7.!!Aantal!nodige!staanplaatsen!voor!volledige!dekkingsraad.!

Binnen!de!assumpties!van!het!model,!volstaat!het!aan!9!plaatsen!om!op!elk!moment! voldoende! staanplaatsen! te! voorzien.! Er! bestaat! een! sterke! correlatie! tussen! het! nodige!vermogen!(figuur!2U5)!en!het!nodig!aantal!laadplaatsen,!aangezien!het!aantal! plaatsen! rechtstreeks! volgt! uit! het! nodige! vermogen.! De! figuren! zijn! echter! niet! volledig! gelijkvormig! wegens! de! extra! tijd,! die! hierboven! reeds! vermeld! is.! Het! gemiddelde! aantal! laadplaatsen! is! slechts! 0,7.! Het! laadstation! staat! in! deze! configuratie!vaak!heel!de!ochtend!leeg.!De!vermogenelektronica!in!de!snelladers!en! de! batterij! kunnen! op! deze! momenten! wel! gebruikt! worden! om! locaal! reactief! vermogen!op!te!vangen.! Enkel! voor! de! laders! (dus! 20!%! van! de! gehele! vloot),! toont! figuur! 2U8! hoe! vaak! het! dezelfde!wagens!zijn!die!terug!komen!laden!op!een!dag!(links)!of!week!(rechts)!tijd.! De! figuur! resulteert! uit! een! simulatie! voor! 20!000! auto’s.! Hier! blijkt! dat! het! 13! !

! ! overgrote! deel! (76!%)! slechts! een! keer! laadt! per! week.! Meer! dan! 90!%! van! de! snelladers! gebruikt! het! station! een! enkele! keer! per! dag.! De! wagens! die! elke! dag! moeten!laden!zijn!zeldzaam!(minder!dan!1!%).!Van!alle!wagens,!is!er!geen!enkel!die! vaker!dan!8!keer!per!week!of!4!keer!per!dag!moet!laden.! !

! Figuur!2S8.!!Aantal!laadbeurten!per!dag!(links)!en!per!week!(rechts).!

2.4!Sensitiviteitsanalyse! Een! aantal! variabelen! die! mede! de! vermogensvraag! bepalen,! zijn! ofwel! moeilijk! te! voorspellen,! ofwel! bestaat! er! weinig! data! voor.! Het! model! gebruikt! voor! deze! variabelen! een! realistisch! geachte! schatting.! Om! de! invloed! van! een! afwijking! van! deze! variabelen! te! analyseren,! is! een! sensitiviteitsanalyse! uitgevoerd.! Aangezien! enkel!de!vereiste!energie!en!vermogen!essentieel!is!voor!de!verdere!modellering!van! het!laadstation,!wordt!niet!meer!gekeken!naar!hun!impact!op!de!evolutie!van!de!SOC! van!de!batterijen,!zoals!in!bovenstaande!paragraaf!wel!is!gebeurd.!

2.4.1!Minimale!SOCUwaarde! Er! wordt! verondersteld! dat! wanneer! een! bepaalde! SOCUwaarde! bereikt! is,! mensen! verkiezen! meteen! te! gaan! laden,! om! een! zekere! energieU! en! mobiliteitsmarge! te! behouden.! Deze! minimale! SOC! is! een! parameter! van! sociale! aard! en! is! niet! gelijk! voor! iedereen.! Sommige! mensen! nemen! liever! risico,! indien! ze! zo! tijd! kunnen! besparen.! Anderen! zijn! voorzichtiger,! en! verkiezen! een! grotere! marge! over! te! houden.! Niet! alleen! van! persoon! tot! persoon,! maar! ook! van! dag! tot! dag! kan! deze! waarde!variëren.!Aangezien!deze!afwijkingen!onbekend!zijn,!is!voor!de!simulatie!van! het!laadgedrag!een!vaste!waarde!gekozen!waarbij!mensen!meteen!gaan!laden,!nl.!een! SOC!van!20!%.! 14! !

! ! Tabel!2U5!toont!de!invloed!van!de!minimale!SOC!op!de!gemiddeld!dagelijks!vereiste! laadenergie! aan! het! station! en! op! het! aantal! wagens! dat! gebruik! maakt! van! het! snellaadstation.! De! vereiste! laadenergie! is! de! som! van! alle! energie! per! wagen! die! nodig!is!opdat!iedereen!aan!zijn!mobiliteitsbehoefte!zou!kunnen!beantwoorden.!Het! verband! tussen! de! minimale! SOC! en! de! vereiste! energie! verloopt! binnen! het! berekende!bereik!(5!–!35!%)!lineair.!! Wanneer! met! de! wagen! gereden! wordt! tot! een! lagere! SOC,! heeft! dit! een! dubbel! gevolg.!De!wagens!die!toch!nog!gebruik!maken!van!het!station,!en!die!tot!80!%!SOC! willen! laden,! zullen! nu! meer! laden! (van! 10!%! tot! 80!%,! i.p.v.! 20!%! tot! 80!%).! Daarmee! stijgt! de! belasting! op! het! station.! Anderzijds! zullen! een! aantal! auto’s! hun! ritten!kunnen!vervolledigen!zonder!te!moeten!snelladen.!Dit!betekent!een!verlaging! van!de!belasting!op!het!station.!Uit!tabel!2U5!blijkt!dat!het!tweede!effect!doorweegt! en!dus!een!lagere!minimale!SOC!een!kleinere!belasting!betekent!voor!het!station.! ! Minimale!SOC! ! ! Energie!vereist![kWh]! ! ! Wagens!die!station!gebruiken! !

5!%!

20!%!

35!%!

485!

607!

779!

13!%!

20!%!

31!%!

Tabel!2S5.!!Sensitiviteit!op!minimale!SOC.!

Figuur! 2U9! is! analoog! opgebouwd! aan! figuur! 2U4! (voor! uitleg! zie! paragraaf! 2.3.1),! maar! dit! keer! voor! drie! verschillende! waarden! voor! de! minimale! SOC7.! De! drie! grafieken!vertonen!hun!‘knik’!ter!hoogte!van!de!respectievelijke!minimale!SOC!(5!%,! 20!%!en!35!%).!!

! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 7! Enige! verwarring! zou! kunnen! ontstaan! tussen! enerzijds! ‘minimale! SOC’! en! anderzijds! ‘minimaal! bereikte! SOC’.! Het! eerste! begrip! duidt! op! de! minimale! SOCUwaarde! waarmee! iemand! (in! de! simulatie)! bereid! is! rond! te! rijden.! Het! tweede! begrip! wijst! op! de! minimale! SOCUwaarde!die!een!bepaalde!wagen!bereikt!over!een!hele!week.!

15! !

! ! Figuur!2S9.!!Impact!minimale!SOC!op!minimaal!bereikte!SOC.!

! Ook!hier!is!duidelijk!dat!een!hogere!minimale!SOC!gevolg!geeft!aan!meer!gebruikers! van!het!snellaadstation.!Boven!de!minimale!SOC!vallen!de!drie!grafieken!samen.!Dit! is!zo!omdat!de!minimale!SOC!geen!invloed!heeft!op!de!wagens!die!in!ieder!geval!geen! nood! hebben! aan! snelladen.! Deze! zullen! hun! rijstijl! niet! aanpassen! en! dezelfde! minimale!SOCUwaarde!behalen.!

2.4.2!Batterijgrootte! Compactere!en!efficiëntere!batterijen!met!een!hogere!energiedichtheid!zijn!al!enige! jaren! onderwerp! van! menig! onderzoek,! en! dit! zal! de! komende! jaren! ook! niet! afnemen.! Vandaar! dat! de! impact! van! efficiëntere! en/of! energiedichtere! batterijen! onderzocht!dient!te!worden.!![20]!schat!voor!de!volgende!8!jaar!een!verwachte!groei! in!capaciteit8!van!8!–!10!%.!Deze!trend!houdt!reeds!verschillende!jaren!stand.!Indien! batterijen!zo!voort!evolueren,!is!de!verwachte!capaciteit!(tegen!2020)!80!tot!110!%! groter! vergeleken! met! de! huidige! capaciteit.! Anderzijds! vermeldt! [20]! dat! andere! bronnen! beweren! dat! de! verbetering! in! opslagcapaciteit! asymptotisch! zal! dempen,! en!dat!dergelijk!hoge!waarden!niet!realistisch!zijn.!Voor!het!model!wordt!een!brede! sensitiviteitsanalyse! uitgevoerd,! met! als! worst! case! scenario! geen! verbetering! in! capaciteit,!en!als!best!case!scenario!een!verbetering!van!160!%.! Niet! enkel! de! batterijen! kunnen! efficiënter! worden,! de! overige! componenten! van! elektrische!!wagens!eveneens.!Hierbij!horen!de!elektrische!motoren,!het!geheel!aan! instrumenten!om!de!wagen!te!besturen,!displays,!batterijkoeling!enz.!De!verbetering! in! efficiëntie! van! deze! componenten! kunnen! gezien! worden! als! een! virtuele! verhoging! van! de! specifieke! energie! van! de! batterij.! Vandaar! dat! hiervoor! geen! aparte!sensitiviteitsanalyse!uitgevoerd!wordt.!In!het!model!wordt!gerekend!met!drie! batterijgrootten:!26,!39!en!52!kWh!voor!respectievelijk!kleine,!middelgrote!en!grote! wagens.!Dit!is!de!nominale!waarde!dus!de!fysisch!aanwezig!energie!die!opgeslagen!is! in! de! batterij.! De! effectief! bruikbare! energie! is! kleiner! en! bedraagt! respectievelijk! 20,8;! 31,2! en! 41,6!kWh.! Het! verschil! tussen! nominale! en! effectieve! waarde! van! de! batterij!is!gevolg!van!het!feit!dat!een!batterij!niet!volledig!ontladen!mag!worden.!Dit! zou!de!batterij!beschadigen.! Tabel! 2U6! is! analoog! opgebouwd! als! tabel! 2U5.! Om! tot! deze! resultaten! te! komen,! is! verondersteld! dat! het! specifieke! energieverbruik! van! wagens! gelijk! is! gebleven,! onafhankelijk!van!de!verhoging!van!de!energiecapaciteit!van!de!batterij.!Meteen!valt! op!dat!de!impact!van!een!batterij!met!hogere!energiedichtheid!groot!is.!Het!verband! tussen! de! vereiste! energie! aan! het! station! en! batterijcapaciteit! is! sublineair:! de! afname!aan!nood!van!laadenergie!neemt!bij!hogere!energiedichtheid!af.!! Nota:!Telkens!de!middelste!waarde!voor!vereiste!energie!in!tabellen!2U5!tot!2U8!zijn! soms!verschillend.!Dit!kan!vreemd!lijken!aangezien!het!telkens!gaat!om!de!resultaten!! van! hetzelfde! model! met! dezelfde! beginwaarden.! De! reden! voor! het! verschil! is! dat! het! model! gebruik! maakt! van! willekeurig! gegenereerde! getallen! voor! het! toewijzen! van! laadmogelijkheden! op! bepaalde! locaties! (d.i.! overal! buiten! thuis! en! op! het! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 8!Met!capaciteit!wordt!in!deze!paragraaf!steeds!specifieke!energie!bedoeld.!

16! !

! ! laadstation).!Deze!willekeurige!waarden!zijn!bij!elke!simulatie!anders,!waardoor!een! kleine!afwijking!mogelijk!is9.!De!afwijking!is!echter!zeer!beperkt.!! Er! wordt! niet! onderzocht! of! een! batterij! met! voldoende! hoge! energiedichtheid! volstaat!om!een!snellaadstation!overbodig!te!maken.!!Het!zou!kunnen!dat!wagens!die! veel! gebruikt! worden,! niet! lang! genoeg! thuis! staan! om! voldoende! op! te! laden.! De! laadsnelheid! thuis! is! namelijk! beperkt.! In! dit! geval! zal! een! laadstation! nodig! zijn! ondanks!batterijen!met!zeer!hoge!capaciteit.!! ! Relatieve!energiecapaciteit!

100!%! 130!%! 160!%!

Energie!vereist![kWh]!

1004!

607!

379!

Wagens!die!station!gebruiken!

34!%!

20!%!

12!%!

Tabel!2S6.!!Sensitiviteit!op!energieSinhoud!batterijen.!

Figuur! 2U10! toont! drie! grafieken! (analoog! aan! figuur! 2U4),! telkens! voor! een! verschillende! energiedichtheid! van! de! batterij! (100!%,! 130!%! en! 160!%).! De! drie! deelgebieden! zijn! wel! nog! steeds! te! onderscheiden! (zie! uitleg! bij! figuur! 2U4).! Een! verhoging! van! de! energiedichtheid! van! de! batterijen,! waarbij! de! batterij! dezelfde! massa!of!volume!behoudt,!resulteert!in!een!kleiner!aandeel!van!de!wagens!die!nood! hebben!aan!snelladen.!De!grafiek!verschuift!met!andere!woorden!naar!rechts.! Aangezien! de! mobiliteitsvraag! en! het! specifiek! verbruik! constant! gehouden! werd,! blijft! de! vraag! naar! energie! wel! constant.! Deze! energie! komt! voor! een! deel! nog! steeds! van! het! laadstation.! De! wagens! die! aan! het! snellaadstation! laden,! laden! nog! steeds! tot! 80!%! SOC! op,! maar! 80!%! SOC! betekent! wegens! een! batterij! met! hogere! energiedichtheid!ook!meer!energie.!Anderzijds!wordt!er!ook!meer!thuis!geladen.! ! !

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 9! Een! manier! om! deze! verschillen! weg! te! werken,! zou! zijn! om! het! model! een! aantal! keer! te! laten!simuleren!en!nadien!de!resultaten!uit!te!middelen.!!

17! !

! !

! Figuur!2S10.!!Impact!batterijgrootte!op!minimaal!bereikte!SOC.!

!

2.4.3!Mogelijkheid!tot!openbaar!traag!laden! Waar! in! de! toekomst10! geladen! kan! worden,! valt! op! dit! moment! moeilijk! in! te! schatten.!Waarschijnlijk!zullen!werkgevers,!eens!de!elektrische!auto!zijn!vaste!plaats! heeft! gevonden! in! de! maatschappij,! laadpalen! voorzien! op! de! parking! van! hun! bedrijven! en! werkplaatsen.! Op! de! markt! zijn! reeds! kabels! te! verkrijgen! die! het! mogelijk! maken! om! overal! waar! een! stopcontact! aanwezig! is,! op! te! laden! [21].! Dit! zijn!kabels!die!met!een!extra!beveiliging!en!EVUaansluiting!voorzien!zijn!aan!de!kant! van! de! auto,! maar! met! een! gewone! huishoudstekker! aan! het! andere! uiteinde.! Hiermee! kan! aan! 230!V! –! 10!A! geladen! worden.! De! beveiliging! aan! de! kant! van! de! wagen!is!typisch!voor!mode!2!aansluitingen!en!is!de!reden!dat!een!aangepaste!kabel! noodzakelijk! is.! Mensen! die! gewoon! op! bezoek! zijn! bij! vrienden! of! familie,! of! hun! auto!op!een!openbare!locatie!laten!staan,!kunnen!ook!daar!hun!auto!laten!opladen.!! Om! de! impact! van! openbaar! laden! te! bestuderen,! is! een! sensitiviteitsanalyse! uitgevoerd.! De! resultaten! zijn! samengevat! in!tabel! 2U7.! Het! verband! tussen! kans! op! openbaar! laden! en! vereiste! energie! is! lineair.! De! impact! van! het! openbaar! laden! is! groot.! Indien! op! 40!%! van! de! openbare! plaatsen! geladen! kan! worden,! daalt! de! vereiste! energie! voor! het! snellaadstation! met! meer! dan! een! derde! t.o.v.! de! situatie! waarbij! er! nergens! geladen! kan! worden.! Er! wordt! verondersteld! dat! op! een! openbare!locatie!geladen!kan!worden!tot!100!%!SOC,!aangezien!gemodelleerd!wordt! dat! het! hier! om! traag! laden! gaat.! Thuis! laden! wordt! hier! niet! als! openbaar! laden! aanzien,! thuis! kan! in! ieder! geval! geladen! worden.! Voor! het! laadvermogen! op! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 10!2020!wordt!als!referentiejaar!genomen.!

18! !

! ! openbare!plaatsen!wordt!verwezen!naar!paragraaf!2.2.2.!! ! Kans!op!openbaar!laden!

0!%!

40!%!

80!%!

Energie!vereist![kWh]!

937!

618*!

325!

29!%!

20!%!

11!%!

Wagens!die!station!gebruiken! ! *!Zie!nota!onder!paragraaf!2.4.2.!

Tabel!2S7.!!Sensitiviteit!op!mogelijkheid!tot!laden!op!openbare!locaties.!

! Figuur! 2U11! is! analoog! opgebouwd! als! figuur! 2U4.! Ze! toont! de! impact! van! een! verschillende!kans!op!openbaar!laden!(0!%,!40!%,!en!80!%),!op!de!minimaal!bereikte! SOC.! De! minimale! SOC! die! bereikt! kan! worden,! is! nog! steeds! 20!%,! aangezien! openbaar!laden!hierop!(in!het!model)!geen!invloed!heeft.!Een!hoge!kans!op!openbaar! laden!verhoogt!het!aandeel!aan!wagens!dat!een!te!grote!batterij!(zie!paragraaf!2.3.1)! heeft,! ten! opzichte! van! de! mobiliteitsbehoefte.! Ook! het! aandeel! dat! het! snellaadstation!!gebruikt,!daalt.!

! Figuur!2S11.!!Impact!kans!op!openbaar!laden!op!minimaal!bereikte!SOC.!

2.4.4!SOC!bij!thuiskomst! Het!model!is!zo!opgesteld!dat!indien!iemand!laadt,!die!persoon!slechts!oplaadt!tot!de! batterij!voldoende!energie!bezit!om!de!rest!van!de!(verwachte)!trajecten!af!te!leggen! en! dan! thuis! kan! komen! met! een! bepaalde! SOC! waarde.! Deze! SOC! waarde,! de! ‘SOC! waarde! bij! thuiskomst’! is! geïntegreerd! in! het! model,! met! als! doel! sociaal! gedrag! accurater!te!modelleren.!Het!is!namelijk!onwaarschijnlijk!dat!iemand!zijn!wagen!tot! 80!%!SOC!zal!snelladen!indien!die!dag!nog!maar!enkele!km!gereden!moeten!worden.! 19! !

! ! Eveneens! is! het! waarschijnlijk! dat! mensen! niet! met! een! bijna! lege! batterij! willen! thuis! komen,! aangezien! ze! dan! moeten! wachten! tot! de! wagen! voldoende! traag! geladen!heeft!om!weer!over!enige!mobiliteit!te!beschikken.!! De!SOCUwaarde!bij!thuiskomst!is!een!parameter!van!het!model,!en!ook!hierop!is!een! sensitiviteitsanalyse!uitgevoerd.!Voor!de!SOCUwaarde!bij!thuiskomst!wordt!gekeken! naar! drie! waarden,! 20!%,! 50!%! en! 80!%.! Hiervan! zijn! 20!%! en! 80!%! grenswaarden.! Lager! dan! 20!%! SOC! thuiskomen! is! namelijk! niet! toegelaten! volgens! het! model,! de! persoon! zou! gewoon! opnieuw! moeten! snelladen! voor! deze! thuis! is! geraakt.! Anderzijds! kan! niet! meer! snel! geladen! worden! dan! 80!%! SOC.! Een! SOCUwaarde! bij! thuiskomst! van! 80!%! verzekert! dus! dat! elke! persoon! bij! het! snelladen! zijn! batterij! maximaal! (dus! tot! 80!%! SOC)! snellaadt.! Het! opstellen! van! een! analoge! figuur! aan! figuren!2U9!tot!2U11!zou!hier!zinloos!zijn.!De!minimale!SOC!die!een!gebruiker!van!het! snellaadstation! haalt! is! steeds! 20!%,! ongeacht! tot! welke! SOC! deze! persoon! oplaadt.! De! figuur! zou! dus! telkens! dezelfde! (middelste)! grafiek! tonen11.! Wel! is! onderzocht! wat!de!impact!is!op!de!vereiste!energie!aan!het!station.!Tabel!2U8!toont!de!resultaten! voor!een!SOC!waarde!bij!thuiskomst!gelijk!aan!20!%,!50!%!en!80!%.!! ! Gewenste!SOC!waarde!bij! thuiskomst! Energie!vereist![kWh]!

20!%!

50!%!

80!%!

328!

615*!

776!

! *!Zie!nota!onder!paragraaf!2.4.2.! Tabel!2S8.!!Sensitiviteit!op!gewenste!SOC!waarde!bij!thuiskomst.!

2.5!Besluit! Twee! grote! verschillen! tussen! elektrisch! laden! en! conventioneel! tanken! blijken! uit! het! model:! ten! eerste! moet! elektrisch! laden! vaker! gebeuren! en! ten! tweede! kan! tanken! niet! thuis.! Met! elektrisch! laden! wordt! hier! ook! thuis! laden! begrepen.! Ondanks! de! frequentere! laadbeurten,! blijkt! het! voordeel! van! elektrisch! rijden! voor! het!grootste!deel!van!de!wagens!een!hogere!flexibiliteit!te!zijn.!Er!is!geen!nood!zich! te! verplaatsen! naar! een! laadstation/tankstation.! Wagens! met! verbrandingsmotoren! hebben! geen! andere! keuze! dan! geregeld! een! tankstation! te! bezoeken.! Tankstations! moeten!100!%!van!de!tankvraag!dekken,!daar!waar!slechts!een!beperkt!deel!van!de! elektrische! voertuigen! nood! hebben! aan! snellading.! De! laadinfrastructuur! voor! elektrische! voertuigen! is! dus! voor! het! grootste! deel! reeds! voorhanden.! Een! nadeel! hierbij!is!natuurlijk!wel!dat!de!wagens!elke!keer!aangesloten!moeten!worden!aan!de! energiebron!(net).! Van! de! groep! die! gebruik! maakt! van! het! voorgestelde! laadstation! moeten! slechts! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 11!Hiervoor!wordt!verwezen!naar!de!middelste!grafiek!van!!Figuur!2U9,!Figuur!2U10!of!Figuur! 2U11.!

20! !

! ! enkelen! elke! dag! van! de! week! snelladen! (minder! dan! 1!%),! willen! ze! aan! hun! mobiliteitswens! voldoen.! Anderzijds! is! er! een! groot! aandeel! van! de! bestudeerde! wagens! die! nooit! moeten! snelladen! (80!%).! Voor! deze! groep! volstaat! het! dus! om! thuis!of!op!openbare!locaties!op!te!laden.!! De! gesommeerde! vermogensvraag! voor! 1000! wagens! vertoont! een! periodisch! gedrag!met!brede!piekvorming.!Het!dal!valt!rond!7!uur!in!de!ochtend,!de!piek!loopt! op! vanaf! de! namiddag! tot! middernacht,! met! een! hoogtepunt! om! 19!uur.! De! verwachte! energieU! en! piekvermogenvraag! aan! het! laadstation! is! weergegeven! in! tabel! 2U9.! Met! gemiddelde! energie! wordt! de! laadenergie! bedoeld! die! alle! auto’s! op! een! dag! vereisen! van! het! snellaadstation.! Deze! waarden! zijn! voor! 40! datasets! uitgemiddeld,!elke!set!bestaat!uit!1000!elektrische!wagens.!De!berekende!energie!is! diegene! die! uiteindelijk! in! de! batterijen! opgeslagen! wordt.! Daarbij! moeten! nog! verliezen! opgeteld! worden.! Met! gemiddeld! piekvermogen! wordt! het! hoogste! vermogen!bedoeld!dat!op!de!vijf!weekdagen!van!een!week!respectievelijk!tijdens!het! weekend! voorgekomen! is.! Meteen! blijkt! het! grote! verschil! tussen! een! weekdag! en! het! weekend.! Er! is! een! veel! kleinere! energievraag! tijdens! het! weekend,! en! ook! het! piekvermogen! daalt.! Dit! is! voornamelijk! te! wijten! aan! de! vermindering! woonUwerk! verkeer.! ! In! het! verdere! verloop! van! dit! eindwerk! zal! voortgebouwd! worden! op! de! resultaten!die!in!dit!hoofdstuk!besproken!zijn.! ! !

Week!

Weekend!

Gemiddelde!energie![kWh]!

753!

252!

Gemiddeld!piekvermogen![kW]!

330!

178!

Tabel!2S9.!!Verwachte!energieS!en!vermogensvraag.!

De!gebruikte!variabelen!in!het!model!zijn!assumpties,!ze!zijn!onderzoeksafhankelijk,! sociaal! gerelateerd! en! moeten! geschat! worden! voor! de! toekomst.! Het! richtjaar! van! het!model!is!2020.!Bovendien!wijzen!de!uitgevoerde!sensitiviteitsanalyses!uit!dat!de! energievraag! erg! gevoelig! is! voor! een! afwijking! op! deze! variabelen.! De! algemene! trend!blijft!wel!dezelfde.!! − −

−

Een! eerste! groep! van! de! wagens! bezit! een! overgedimensioneerde! batterij! in! verhouding!tot!de!gewenste!mobiliteit.!! Een!tweede!groep!bezit!een!batterij!die!dieper!ontladen!wordt,!maar!heeft!geen! nood! aan! snelladen.! Het! laden! thuis! en! op! openbare! locaties! volstaat! hier! om! nooit! een! SOC! te! bereiken! die! als! onaangenaam! laag! aanzien! wordt! door! de! bestuurder.!! Een!laatste!groep!heeft!nood!aan!snelladen!om!zijn!mobiliteitsvraag!te!voldoen.! Bij!deze!laatste!groep!wisselen!de!gebruikers!af,!het!zijn!in!minder!dan!24!%!van! de!gevallen!dezelfde!wagens!die!nood!hebben!aan!snelladen.!!

De! sensitiviteitsanalyses! wijzen! uit! dat! het! verband! tussen! minimale! SOC! alsook! kans! tot! openbaar! laden! en! de! energievraag! lineair! is.! Het! verband! tussen! de! batterijgrootte! en! energievraag! is! sublineair.! Figuur! 2U12! toont! twee! grafieken! met! minimaal! bereikte! SOCUwaarden! op! een! week! tijd.! Ze! zijn! berekend! door! de! meest! gunstige! (best! case)! en! ongunstige! (worst! case)! waarden! voor! de! parameters! te! kiezen.! Zelfs! in! het! meest! gunstige! geval! maken! nog! steeds! enkele! wagens! (3!%)! 21! !

! ! gebruik!van!het!station.!Voor!het!meest!ongunstige!geval!is!dit!59!%.! !

! Figuur!2S12.!!Minimaal!bereikte!SOC!voor!de!worst!en!best!case!scenario.!

22! !

! !

Hoofdstuk!3. Ontwerp!van!het! snellaadstation! Een!overzicht!van!de!gevolgde!stappen!tijdens!de!modellering!is!afgebeeld!op!figuur! 3U1.! Met! als! basis! de! resultaten! van! energieU! en! vermogensvraag! uit! hoofdstuk! 2,! wordt! in! dit! hoofdstuk! het! ontwerp! besproken! van! een! snellaadstation,! dat! beantwoordt! aan! deze! vraag.! Het! doel! van! dit! station12,! is! om! aan! de! nood! aan! laadinfrastructuur! te! beantwoorden! die! nog! overblijft! na! het! gebruik! van! openbare! en! residentiële! laadplaatsen.! Zoals! aangetoond! in! paragraaf! 2.3.1! is! het! aandeel! wagens!dat!per!dag!gebruik!zal!maken!van!het!station!gelijk!aan!20!%.! ! data! VERPLAATSINGSGEDRAG! Rijgedrag! Energieverbruik! Sociale!assumpties! Technische!assumpties!

model! LAADGEDRAG! Vereiste!energie! Vereist!vermogen!

Aanstuuralgoritme! Dimensionering!

model! SNELLAADSTATION! !

Figuur!3S1.!!Overzicht!van!het!model!(2).!

Een! eerste! paragraaf! bespreekt! de! manier! waarop! het! station! geplaatst! is! in! zijn! omgeving.! In! de! volgende! paragrafen! volgt! een! overzicht! van! de! grootste! deelblokken! van! het! station.! Dit! zijn! de! snelladers! zelf,! de! energieopslag,! de! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 12!Met!‘station’!wordt!telkens!naar!het!snellaadstation!in!kwestie!verwezen.!

23! !

! ! aansluiting!op!het!elektrische!net!en!de!netondersteuning!d.m.v.!zonnepanelen.!Het! feitelijke! gedrag! van! het! station,! m.a.w.! de! resultaten,! komt! in! het! volgende! hoofdstuk! aan! bod.! Figuur! 3U2! beeldt! een! schets! van! het! station! af! met! zijn! belangrijkste! elementen.! De! figuur! geeft! slechts! een! conceptueel! overzicht! en! de! samenwerking! van! de! verschillende! componenten! weer.! Praktisch! zouden! de! onderdelen! er! geheel! anders! uit! kunnen! zien,! evenals! het! aantal! laadplaatsen.! De! energieopslag,! controller! en! kabels! zijn! hier! afgebeeld,! maar! zouden! zich! bij! een! reëel! station! ondergronds! kunnen! bevinden,! om! het! gehele! station! esthetisch! verantwoord!te!maken.!!

! Figuur!3S2.!!Schematische!voorstelling!van!het!station.!

3.1!Geografische!plaatsing!van!het!station! Het!rechtstreekse!doel!van!het!station!is!niet!om!een!geografische!zone!te!dekken.!De! 1000! wagens! die! in! het! model! opgenomen! zijn,! zijn! de! wagens! die! gebruik! zouden! maken!van!dit!station,!omdat!dit!station!hen!het!best!uitkomt.!Of!een!bestuurder!al! dan!niet!laadt!aan!het!laadstation!heeft!dus!niets!te!maken!met!het!startU!of!eindpunt! van!zijn!trip.!Dat!het!station!uiteindelijk!wel!het!grootste!deel!van!een!geografische! zone!zal!dekken,!is!daar!een!onrechtstreeks!gevolg!van.! Voorlopig! is! het! station! gemodelleerd! op! een! centrale! locatie,! waarbij! alle! laadplaatsen! zoals! op! een! parking! verzameld! zijn.! Daarbij! horen! dan! een! aantal! snelladers,!een!enkele!aansluiting!op!het!elektrische!net,!zonnepanelen!op!het!dak!en! een!centrale!(ondergrondse)!energieopslag.!Het!zou!echter!interessanter!kunnen!zijn! om! ditzelfde! station! op! te! delen! in! verschillende,! geografisch! verspreide! laadplaatsen.! Op! deze! manier! kan! een! grotere! oppervlakte! gedekt! worden,! en! 24! !

! ! moeten! mensen! gemiddeld! minder! ver! rijden! om! te! gaan! laden.! Verdeelde,! enkele! laadplaatsen!kunnen!de!flexibiliteit!verhogen.!De!kans!dat!een!plaats!ingenomen!is,! is! echter! groter.! Aangezien! het! station! ontworpen! is! om! aan! 100!%! van! de! dekkingsgraad!te!voldoen,!is!er!zeker!een!plaats!vrij!voor!elke!wagen!die!er!nood!aan! heeft.! Bij! verdeelde! locaties! kan! het! zijn! dat! er! nog! laadplaatsen! vrij! zijn! in! minder! drukke!delen!van!een!stad,!en!enkele!meer!populaire!laadplaatsen!constant!gebruikt! worden.! De! resultaten! en! conclusies! die! verder! in! dit! eindwerk! aan! bod! komen,! gelden! niet! voor! een! geografisch! verspreid! station! (wegens! een! geheel! andere! vermogen! en! energievraag).! Ook! kan! een! verdeeld! station! een! dekkingsgraad! van! 100!%! niet! garanderen.! Indien! het! station! dus! verdeeld! wordt! in! afzonderlijke! laadplaatsen,! begint! locatie! wel! een! rol! te! spelen,! en! moet! deze! mee! in! rekening! worden!genomen.!Hier!is!in!dit!eindwerk!niet!verder!op!in!gegaan.! Het! zou! een! verkeerde! veronderstelling! zijn! dat! het! gehele! station! simpelweg! met! vaste! schaal! te! verkleinen! of! vergroten! valt.! De! batterij! kan! namelijk! enkel! een! voldoende!hoog!vermogen!genereren!indien!deze!groot!genoeg!gedimensioneerd!is.! Dit! zal! aangetoond! worden! in! paragraaf! 4.3.! Om! een! hoog! vermogen! te! produceren! moeten! verschillende! cellen! in! serie! (voor! een! hogere! spanning)! en! parallel! (voor! een! hogere! stroom)! geconfigureerd! staan.! Zo! zal! een! enkele! laadplaats! met! een! batterij! van! enkele! kWh! niet! alleen! het! hoge! vermogen! voor! de! snellader! ! kunnen! opbrengen.! In! wat! volgt! wordt! van! een! centraal! station! uitgegaan,! met! al! zijn! laadplaatsen,!zonnepanelen,!netaansluiting!en!energieopslag!op!een!enkele!fysische! plaats.!In!een!eerste!fase!wordt!aan!geen!enkel!van!de!onderdelen!een!beperking!in! grootte! opgelegd.! De! modellering! van! het! station! heeft! namelijk! als! doel! te! bestuderen!wat!de!nodige!voorziening!is,!mocht!het!station!aan!100!%!van!de!vraag! beantwoorden.!Een!beperking!in!dekkingsgraad!komt!later!aan!bod!(in!hoofdstuk!6).!

3.2!Snelladers! De!feitelijke!snelladers!vormen!een!belangrijke!keuze!in!het!ontwerp!van!het!station.! Hun! specificaties! hebben! een! grote! invloed! op! het! gedrag! van! het! station! en! de! service! die! potentiële! laders! ervaren.! In! een! eerste! paragraaf! wordt! de! keuze! van! type! snellader! verantwoord.! Een! tweede! paragraaf! gaat! kort! in! op! de! feitelijke! laadprocedure.!

3.2.1!Keuze!van!standaard!voor!de!snellader! Snelladen!kan!op!verschillende!vermogens!en!moet!wegens!veiligheidsvoorschriften! volgens! een! bepaalde! standaard! gebeuren.! Hierbij! moeten! zowel! de! persoon,! snellader! als! wagen! beschermd! worden.! [22]! gaat! in! de! op! verschillende! veiligheidsmaatregelen! die! ingebouwd! moeten! zijn,! de! belangrijkste! zijn! de! volgende:!! − − −

De! toegang! tot! het! stopcontact! in! het! laadpunt! wordt! pas! ontgrendeld! na! autorisatie!van!de!gebruiker.! Er! kan! pas! worden! opgeladen! als! een! sluitende! verbinding! tussen! laadpunt! en! auto!tot!stand!is!gebracht.! De! stekker! kan! alleen! uit! het! laadpunt! worden! genomen! als! de! gebruiker! zich! heeft!afgemeld!en!het!stopcontact!spanningsvrij!is.! 25!

!

! ! ! Een! internationaal! overeengekomen! standaard! voor! snelladen! bestaat! op! het! moment!van!schrijven!nog!niet.!De!keuze!van!snellader!voor!het!station!volgt!uit!een! afweging! van! investeringskost,! laadtijd,! gebruikte! standaard,! veiligheid! en! gebruiksgemak.!Voor!de!modellering!van!het!station!is!gekozen!voor!snelladers!van! 50!kW,!die!de!CHAdeMO13!standaard!gebruiken.!Dit!zijn!DCUladers,!de!gelijkrichter!is! in!de!snellader!zelf!voorzien.!De!interne!gelijkrichter!van!het!voertuig!wordt!hierbij! niet! gebruikt.! De! CHAdeMOUstandaard! is! voorzien! op! verschillende! modellen! van! elektrische! wagens! die! reeds! op! de! markt! te! koop! zijn! zoals! de! Nissan! LEAF,! Mitsubishi!MiEV,!Citroën!CUZERO,!Peugeot!iOn!en!Fiat!500![23].!! Er! is! niet! voor! een! hoger! vermogen! gekozen! omdat! deze! laadsnelheden! zich! nog! in! een!testfase!bevinden,!en!de!standaard!niet!voor!elke!auto!bruikbaar!zal!zijn.!De!kost! van! een! 50! kW! snellader,! voorzien! van! de! CHAdeMOUstandaard! ligt! niet! vast! maar! een! model! (Terra! Smart! Connect)! onder! de! €!10! 000! is! reeds! beschikbaar! gesteld! door!ABB![24].!Voor!meer!informatie!over!de!CHAdeMOUstandaard!wordt!naar![16]! verwezen.! Het! hoge! vermogen! van! 50! kW! verzekert! voor! de! voorziene! batterijgrootten!(voor!een!laadbeurt!van!SOC!20!%!tot!80!%)!een!beperkte!laadtijd,! die! echter! nog! ruim! boven! de! gemiddeld! benodigde! tijd! ligt! om! conventioneel! te! tanken.!Met!een!laadvermogen!van!50!kW,!vat!tabel!3U1!de!resultaten!samen!van!de! laadtijden!in!de!simulatie!(over!alle!40!sets!van!1000!wagens).!De!eerste!kolom!geeft! de! tijden! die! nodig! zijn! voor! het! feitelijke! laden.! De! rechtse! kolom! voegt! daar! nog! eens! de! voorziene! tijd! bij! om! de! aansluiting! te! voorzien,! te! betalen! en! andere! activiteiten! waarbij! een! laadplaats! ingenomen! is,! maar! niet! geladen! wordt.! Deze! extra! tijd! is! gelijkgesteld! aan! zes! minuten:! 4! minuten! voor,! en! 2! minuten! na! het! laden.!! ! !

Laden!

Gebruik!laadplaats!

8,8!

14,8!

Gemiddelde!laadtijd![min]!

18,0!

24,0!

Maximale!laadtijd![min]!

29,3!

35,3!

Minimale!laadtijd![min]!

Tabel!3S1.!!Minimale,!gemiddelde!en!maximale!laadtijden.!

Paragraaf! 2.3.4! toont! aan! dat! het! verwachte! maximale! aantal! laadplaatsen! gelijk! is! aan! 9.! Met! snelladers! aan! 50!kW! per! stuk! geeft! dit! een! maximaal! verwachte! vermogen! van! 450!kW.! Daarbij! moeten! echter! nog! verliezen! geteld! worden,! wat! maakt!dat!de!uiteindelijke!waarde!nog!hoger!zal!liggen.!

3.2.2!Laadprocedure! De! CHAdeMOUstandaard! komt! overeen! met! mode! 4,! type! 4! laden.! Dit! betekent! dat! het! om! snellaadtechnologie! gaat! met! aangepaste! aansluiting! en! beveiliging.! Om! communicatie! met! de! auto! te! voorzien,! maakt! de! lader! gebruik! van! analoge! signaal! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 13!CHAdeMO!komt!van!het!Japanse!‘O!cha!demo!ikaga!desuka’,!en!!betekent!zoveel!als!‘laten!

we!thee!drinken!tijdens!het!laden’.!Voor!specificaties!wordt!verwezen!naar!appendix!C.!

26! !

! ! transmissie! en! een! digitale! communicatie! over! een! CANUbus.! vermogensoverdracht!wordt!meteen!uitgeschakeld!in!het!geval!van!een!fout.!

De!

! Op! de! website! van! CHAdeMO! staat! een! uiteenzetting! van! de! verschillende! componenten! van! de! lader! die! de! vermogensoverdracht! verbeteren! [16].! Een! vertaalde! samenvatting! van! de! belangrijkste! componenten! gaat! als! volgt:! “Een! transformator!scheidt!het!net!galvanisch!van!de!batterij.!Een!ACUfilter!(bijvoorbeeld! LCLUfilter)!verhindert!een!injectie!van!hogere!harmonischen!naar!het!net!toe.!En!ten! slotte! zorgt! een! LCUfilter! aan! de! kant! van! de! batterij! voor! een! vermindering! van! rimpels! op! de! DCUoutput! naar! de! wagen,! wat! lithium! batterijen! zou! kunnen! beschadigen.”! Tijdens! het! laden! wordt! om! de! 100! ms! de! optimale! laadstroom! herberekend,! afhankelijk! van! de! conditie! van! de! batterij! en! temperatuur.! Voor! de! volledige! laadprocedure!wordt!verwezen!naar!appendix!C.!

3.3!Energieopslag! 3.3.1!Nut!van!energieopslag! Er! is! voor! twee! redenen! gekozen! om! energieopslag! te! voorzien! in! het! ontwerp! van! het! station.! Een! eerste! reden! is! dat! de! vermogenaansluiting! op! het! net! beperkt! kan! worden! en! efficiënter! benut! kan! worden! (met! een! hogere! capaciteitsfactor).! Op! momenten! dat! de! vermogensvraag! lager! ligt! dan! de! netaansluiting,! kan! de! batterij! opgeladen!worden.!Op!momenten!dat!de!vraag!groter!is!dan!de!netaansluiting,!wordt! energie! uit! de! batterijen! gehaald.! Indien! netaansluiting,! vermogensvraag! en! opslag! op! elkaar! afgestemd! zijn,! kan! met! doorvoering! van! enige! vereenvoudigingen! een! evenwichtige! wisselwerking! bereikt! worden! waarin! zowel! alle! wagens! van! vermogen! voorzien! wordt! alsook! het! net! efficiënt! uitgebaat! wordt! (zie! paragraaf! 5.1).! Dit! is! echter! een! geïdealiseerd! evenwicht,! dat! gevoelig! is! aan! gebruik! van! het! station,!zoals!verder!zal!blijken!uit!hoofdstuk!5.! Een!configuratie!waarbij!de!gehele!vermogensbelasting!doorgespeeld!wordt!naar!het! net! is! eenvoudig,! maar! vormt! een! zware! belasting! op! het! net! op! momenten! dat! het! reeds! zwaar! belast! is.! Bovendien! is! eerder! aangetoond! dat! de! vermogensvraag! een! periodische! piekvorm! vertoont.! Met! voldoende! energieopslag! kan! de! vermogensvraag! tijdens! de! zwaarst! belaste! uren! (’s! avonds)! verschoven! worden! naar! de! licht! belaste! uren! (in! de! vroege! ochtend).! Paragraaf! 5.1! zal! dit! illustreren.! Het! is! de! bedoeling! het! station! zo! te! ontwerpen,! dat! het! werkt! als! een! snellaadstation,! maar! er! vanuit! het! net! uitziet! als! een! beperkte,! constante! last.! Een! tweede! reden! voor! het! integreren! van! energieopslag! is! dat! de! energie! van! de! zonnepanelen! opgeslagen! kan! worden! en! later! verbruikt.! Dit! wordt! uitvoeriger! besproken!in!paragraaf!3.4.!

3.3.2!Keuze!van!energieopslag! Voor! energieopslag! bestaan! verschillende! technologische! mogelijkheden,! elk! met! hun!specifieke!voorU!en!nadelen.!Een!overzicht!van!verschillende!opslagtechnologie! 27! !

! ! met! hun! belangrijkste! eigenschappen! toont! tabel! 3U2,! [25].! Sommige! van! deze! opslagtechnologieën!zijn!de!waarden!uit!de!tabel!reeds!voorbijgestreefd,!of!kunnen! voor! specifieke! doeleinden! (bv.! hoge! vermogensoutput! of! hoge! energiedensiteit)! geoptimaliseerd!worden.!Tabel!3U2!geeft!echter!de!juiste!trend!en!grootteorde!aan.!! Verder! (zie! paragraaf! 5.1.1! tot! 5.1.3)! zal! blijken! dat! de! laadcyclus! een! hele! dag! inneemt.!Daarom!is!voor!het!laadstation!een!opslagtechnologie!gezocht!die!een!lage! zelfontlading! vertoont.! Ook! een! hoge! laadU! en! ontlaadefficiëntie! zijn! gewenst.! Daarom! komen! in! de! eerste! plaats! batterijen! in! aanmerking.! Batterijen! die! voor! opslag! gebruikt! worden,! kunnen! in! twee! categorieën! opgedeeld! worden:! batterijen! voor! energieapplicaties! en! batterijen! voor! vermogenapplicaties.! Batterijen! voor! energieapplicaties!ontladen!typisch!over!een!duur!van!een!paar!uur,!met!een!periode! van! ongeveer! een! dag.! Het! doel! van! energie! applicaties! is! o.a.! lastverdeling! en! piekafvlakking.! Dit! is! ook! het! doel! van! de! energieopslag! in! het! model.! De! soort! batterijen! die! hier! voor! gebruikt! worden,! hebben! als! voornaamste! kwaliteiten! een! lage! kost,! hoge! flexibiliteit,! bewezen! technologische! eigenschappen! en! betrouwbaarheid![26].!!

! Tabel!3S2.!!Verschillende!soorten!energieopslagtechnologie![25].!

Voor!deze!redenen!is!er!gekozen!voor!loodUzuur!batterijen.!Deze!bezitten!voldoende! energieU!en!vermogensdichtheid!voor!de!toepassing.!Er!bestaan!opslagtechnologieën! met! hogere! energieU! en! vermogensdichtheden,! maar! aangezien! er! toch! een! aanzienlijk! grote! opslag! vereist! is! (zie! verder,! figuur! 5U1),! voldoen! de! specifieke! waarden! voor! loodUzuurbatterijen.! LoodUzuurbatterijen! vertonen! een! stabiel! werkingsgebied! over! een! breed! temperatuursinterval! (U20! U! 50!°C)! [27],! wat! een! dure! omgevingsconditionering! onnodig! maakt.! Met! stabiel! wordt! hier! bedoeld! dat! noch! de! capaciteit,! noch! de! levensduur! binnen! deze! temperatuursgrenzen! noemenswaardig!aangetast!wordt.!Een!lagere!temperatuur!verhoogt!de!levensduur,! maar!verlaagt!de!capaciteit.!Bij!een!te!hoge!temperatuur!geldt!het!omgekeerde![28].! Een! verdere! reden! om! met! loodUzuurbatterijen! te! werken! is! dat! dit! de! eerste! soort! van!herlaadbare!batterijen!zijn![29].!Het!gaat!dus!om!een!mature!opslagtechnologie,! die!goed!gekend!is.!Een!finaal!voordeel!is!dat!het!een!relatief!goedkope!batterij!is!in! vergelijking! tot! andere! types! [30;! 31].! LoodUzuur! batterijen! vereisen! een! langere! laadU!en!ontlaadtijd!dan!andere!batterijtypes,!maar!voor!deze!toepassing!(1!piek!per! dag),!voldoen!de!laadtijden!ruim.! 28! !

! ! Natriumzwavel! (NaS)! batterijen! zijn! veelbelovend! voor! energie! applicaties! en! zouden!een!goed!alternatief!kunnen!vormen!voor!de!loodUzuur!batterijen.!Hun!hoge! werkingstemperatuur! van! 300! –! 350!°C! kan! een! voordeel! genoemd! worden,! aangezien!minder!koeling!nodig!is.!De!hogere!kost!en!vooral!lagere!maturiteit14!van! de!technologie!zijn!de!redenen!om!toch!voor!loodUzuur!batterijen!te!kiezen.! Voor! het! verdere! ontwerp! van! het! station! is! als! referentie! voor! alle! batterijgerelateerde! parameters,! de! commercieel! toegankelijke! batterijUstacks! gebruikt!van!het!type!PG!12V200.!Deze!worden!geleverd!door!de!Power!Sonic![27].! Tabel! 3U3! vernoemt! de! belangrijkste! parameters.! In! de! praktische! opbouw! van! het! station!zouden!verschillende!van!deze!batterijcellen!gecombineerd!moeten!worden.! Enerzijds!in!serie,!om!de!nodige!spanning!te!bereiken,!anderzijds!in!parallel,!om!het! de! nodige! stroom! te! genereren.! Er! is! voor! dit! type! batterij! gekozen! omdat! het! cyclische!batterijen!zijn!die,!in!tegenstelling!tot!bv.!autobatterijen,!geschikt!zijn!voor! regelmatige!en!diepe!ontlading![27].! ! Producent!

Power!Sonic!

Type!

PG!12V200!

Energiedichtheid!

92.29!Wh/l!

Specifieke!energie!

38.58!Wh/kg!

Zelfontlading!

5!%/maand!

Werkingstemperatuur!

S20!tot!50!°C!

Vermogensdichtheid!

239!W/cel!

Laad!en!ontlaad!efficiëntie! 85!%! Tabel!3S3.!!Belangrijkste!parameters!van!de!batterijen.!

In! een! voorlopig! ontwerp! van! het! laadstation! werden! eerst! vliegwielen! overwogen! als! opslagtechnologie.! Dit! wegens! hun! hoge! energieU! en! vermogensdichtheid.! Vliegwielen!vertonen!t.o.v.!batterijen!een!veel!hogere!zelfontlading!(een!gemiddelde! waarde! is! 20!%! op! een! uur).! Dit! blijkt! een! te! groot! nadeel! te! zijn.! Daarom! werden! vliegwielen! verworpen! als! mogelijke! opslagtechnologie.! De! vergelijking! met! vliegwielen! als! opslagtechnologie! wordt! wel! gemaakt! onder! paragraaf! 5.3.! De! grootte! (aantal)! van! de! batterijen! wordt! in! een! eerste! ontwerp! niet! vastgelegd,! en! wordt!besproken!in!paragraaf!5.1.!

3.4!Fotovoltaïsch!systeem! Om! de! impact! van! hernieuwbare! energie! op! het! gedrag! van! het! station! te! onderzoeken!wordt!verondersteld!dat!zich!op!het!dak!van!het!station!zonnepanelen! bevinden.!Het!vermogen!uit!deze!zonnepanelen!wordt!gebruikt!om!het!net!verder!te! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 14! NGK! Insulators,! Ltd! is! een! van! de! enige! producenten.! Website:! http://www.ngk.! co.jp/english/products/power/nas/index.html!

29! !

! ! ontlasten.! Om! realistische! waarden! te! kiezen! voor! de! vermogensoutput! van! de! zonnecellen,! is! gekeken! naar! commercieel! verkrijgbare! cellen! van! SunTech15.! De! datasheet!van!de!gekozen!cellen!toont![32].!Er!wordt!verondersteld!dat!het!dak!een! grootte! heeft! van! 20!m! op! 20!m! en! uitgerust! is! met! dit! type! zonnepanelen.! De! efficiëntie! van! de! invertor! wordt! constant! verondersteld! om! de! rekentijd! en! complexiteit! van! het! model! te! vereenvoudigen.! Hiervoor! is! een! waarde! van! 95!%! gekozen,!dit!is!gebaseerd!op![33].!De!verschillende!parameters!met!betrekking!tot!de! zonnepanelen,!die!van!belang!zijn!voor!het!model,!zijn!samengevat!in!tabel!3U4.! ! Maximale!vermogensdichtheid!

150! W/m²!

Oppervlakte!

400! m²!

Maximaal!vermogen!

60! kW!

Efficiëntie!invertor!

95! %!

Tabel!3S4.!!Specificaties!van!de!PVScellen.!

Data! voor! de! vermogeninput16! van! de! zonnepanelen! is! gebaseerd! op! reële! zonnepanelen,! opgemeten! over! een! jaar! tijd! (2008).! Figuur! 3U3! vertoont! het! procentuele! verloop! van! het! vermogen! op! de! dagen! met! minimale! en! maximale! energie! output! van! de! PV! cellen,! berekend! over! een! dataset! van! 365! dagen.! De! gemiddelde! vermogensoutput! is! eveneens! afgebeeld.! Het! piekvermogen! wordt! duidelijk!zelden!bereikt.! !

! Figuur!3S3.!!Minimaal,!gemiddeld!en!maximaal!vermogen!van!PVSsysteem.!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 15!SunTech!is!op!het!moment!van!schrijven!de!grootste!producent!van.!Hun!producten!dienen! als!referentie!voor!de!parameters!in!het!model.!Website:!http://am.suntechUpower.com/.! 16! De! data! zijn! opgemeten! aan! het! ESATUdepartement! aan! de! faculteit! van! ingenieurswetenschappen!van!de!KU!Leuven.!

30! !

! ! ! De!vermogenspiek!van!de!zonnepanelen!valt!gemiddeld!gezien!om!12u.!Dit!komt!niet! overeen!met!de!uren!waarin!het!station!het!zwaarst!belast!wordt!(zie!figuur!2U6).!Zo! kan! het! voorkomen,! dat! wanneer! er! geen! vraag! bestaat! voor! laadvermogen,! de! zonnepanelen! wel! vermogen! produceren.! In! een! configuratie! zonder! energieopslag,! zal! deze! energie! ofwel! verloren! gaan,! ofwel! in! het! net! geïnjecteerd! worden.! In! een! ontwerp!waarin!energieopslag!voorzien!is,!kan! deze!energie!opgeslagen!worden!en! later! verbruikt! worden! wanneer! er! meer! vraag! is! naar! laadvermogen.! Met! energieopslag! is! het! vermogenverloop! uit! de! zonnepanelen! tijdens! de! dag! van! minder!belang.!De!totale!energie!is!hierbij!belangrijker.!Tabel!3U5!toont!de!extrema! en!de!gemiddeld!te!verwachten!energie!(voor!een!dag)!voor!de!hierboven!besproken! opstelling! van! PV! cellen.! Dit! is! de! energie! die! rechtstreeks! afkomstig! is! van! de! zonnepanelen.! Indien! deze! energie! opgeslagen! moet! worden,! of! meteen! naar! de! wagens! geleid! wordt,! moeten! de! verliezen! afkomstig! van! respectievelijk! de! batterijen! of! de! snelladers! afgetrokken! worden.! Figuur! 3U4! toont! voor! een! jaar! (2008)!elke!dag!de!energie!verzameld!uit!de!zonnepanelen.! ! Minimale!energie!

6!!kWh!

Gemiddelde!energie!

148!!kWh!

Maximale!energie!

356!!kWh!

Tabel!3S5.!!Extrema!en!gemiddelde!energie!uit!PV!cellen!per!dag.!

! Figuur!3S4.!!Energie!uit!zonnepanelen!en!best!fit.!

De! energie! die! de! zonnepanelen! kunnen! leveren! zijn! sterk! seizoensafhankelijk.! Dit! blijkt! duidelijk! uit! de! fourier! fitting.! Deze! is! berekend! met! Matlab! en! eveneens! afgebeeld!op!de!figuur.!De!fourier!fitting!is!een!zo!goed!mogelijke!benadering!van!de! data!door!volgende!functie:! !!"# = !! + !! ∗ !"# ! ∗ ! + ! !! ∗ !"#!(! ∗ !)% 31! !

! ! % Hierbij! stelt! x! de! gemeten! data! van! de! energie! voor! (punten! in! figuur! 3U4).! De! variabelen! !! ,! !! ,! !! ! en! !! moeten! zo! gekozen! worden! dat! !!"# ! de! data! zo! goed! mogelijk!benadert.!Tabel!3U6!toont!hun!waarden.!

a0 !

a1 !

b1 !

w!

121,20!

S78,52!

79,95!

0,01!

Tabel!3S6.!!Waarden!van!fourier!fit!voor!zonneSenergie.!

Een! verlaging/verhoging! van! het! vermogen! uit! de! zonnepanelen! van! 20! kW! op! een! paar! seconden! is! niet! zeldzaam.! Zonnepanelen! zijn! namelijk! erg! gevoelig! aan! lichtafdekking!door!wolken.!Om!zonneUenergie!te!integreren!in!het!model!wordt!elke! dag! een! willekeurig! profiel! ingeladen! uit! de! set! met! 365! opgemeten! profielen.! Dit! introduceert! willekeur! in! het! model,! zodat! zelfs! voor! exact! dezelfde! overige! input,! het! station! zich! van! dag! tot! dag! verschillend! kan! gedragen.! Daarom! werd! de! simulatie!een!aantal!keer!uitgevoerd,!om!toevallig!zonnige!of!bewolkte!dagen!uit!te! middelen.!

3.5!Aansluiting!op!het!elektriciteitsnet! Het! station! heeft! nood! aan! een! aansluiting! op! het! elektriciteitsnet.! De! aansluiting! dient!als!bron!voor!alle!energie!die!de!wagens!vereisen!en!die!niet!afkomstig!is!van! de!zonnepanelen!(of!de!energieopslag).!In!de!hierboven!besproken!configuratie!van! het! station! blijkt! het! grootste! deel! van! de! energie! van! het! net! afkomstig! te! zijn! (zie! paragraaf! 5.1! voor! het! verband! tussen! netaansluiting! en! energieopslag).! Dankzij! de! geïntegreerde! energieopslag! is! de! netaansluiting! niet! gedimensioneerd! op! de! maximaal!verwachte!vermogensvraag!van!de!wagens,!dat!uit!eerdere!berekeningen! (zie! tabel! 2U9)! rond! 330!kW! blijkt! te! liggen.! Zelfs! al! moeten! alle! vragende! wagens! bediend! worden,! ligt! het! maximale! vermogen! van! de! netaansluiting! dankzij! de! energieopslag! gevoelig! lager.! Het! type! netaansluiting! (eenU! of! driefasig,! laag! of! middenspanning)! hangt! af! van! het! vereist! vermogen,! en! dient! bepaald! te! worden! eens!het!vermogen!van!de!netaansluiting!vastgelegd!is.!

3.6!Technische!beschrijving!van!de!simulatie! In!deze!paragraaf!staat!in!verschillende!stappen!hoe!het!station!concreet!ontworpen! is! en! welke! de! ontwerpbeslissingen! hierbij! zijn.! Voor! de! feitelijke! berekeningen! kunnen! gebeuren,! worden! alle! variabelen! vastgelegd.! De! belangrijkste! parameters! voor!het!model!zijn!samengevat!in!tabel!3U7.!De!Matlab!code!in!appendix!B!toont!de! exacte!modellering!van!het!station.! 32! !

! ! Om! de! rekentijd! te! beperken! is! een! tijdresolutie! van! een! minuut! gekozen.! Elke! simulatie! verloopt! over! een! tijdsvenster! van! een! week.! De! belangrijkste! variabelen! die!berekend!worden!zijn!het!vermogen!dat!het!station!van!het!net!trekt!(PNET)!en!de! laadtoestand! of! State! Of! Charge! (SOCBAT)! van! de! energieopslag.! Deze! worden! elke! minuut! herberekend,! wat! voor! een! tijdsvenster! van! een! week! leidt! tot! 10! 080! datapunten! per! variabele! en! per! set.! Om! tot! deze! twee! variabelen! te! komen,! wordt! per!tijdstap!het!beslissingsschema!toegepast,!dat!afgebeeld!is!in!figuur!3U5.!! ! Symbool!

EBAT!SPEC!! PBAT!SPEC! ρE! fZOL! fEFF! ηBAT! ηPV! ηSNELLADER!

Beschrijving! specifieke!energiedichtheid! van!de!batterij! specifieke!vermogensdichtheid! van!de!batterij! energiedichtheid!van!de! batterij! zelfontladingsfactor!van!de! batterij! effectief!bruikbaar!deel!van! energie!in!de!batterij17! efficiëntie!bij!het!(ont)laden! van!de!batterij!

Waarde!

Eenheid!

38,58!

Wh

kg!

50!

W

kg!

92!

Wh ! l

1.2!10!! !

1

min!

0.8!

U!

0.85!

U!

efficiëntie!van!PVUinvertor!

0.95!

U!

efficiëntie!van!snellader!

0.90!

U!

Tabel!3S7.!!Belangrijkste!parameters!van!het!station.!

De!verschillende!states!(zie!figuur!3U5)!leiden!elk!tot!verschillende!berekening!voor! PNET!en!SOCBAT!in!de!volgende!tijdstap.!Een!voordeel!van!het!aanstuuralgoritme!voor! het!station!is!dat!van!geen!enkele!variabele!voorkennis!vereist!is.!Alle!berekeningen! gebeuren! aan! de! hand! van! in! die! tijdstap! gekende! waarden.! Bij! de! verschillende! states!gebeuren!volgende!zaken:! State! 1:! De! auto’s! worden! (indien! er! een! vraag! is)! van! vermogen! voorzien.! Het! surplus! aan! vermogen! uit! het! net! en! PVUinstallatie! wordt! gebruikt! om! de! energieopslag! verder! op! te! laden.! Dit! surplus! is! gelijk! aan! de! som! van! het! maximale!vermogen!van!de!netaansluiting!en!het!vermogen!uit!de!PVUinstallatie,! met!daarvan!alle!verliezen!en!de!vermogensvraag!van!de!wagens!afgetrokken.! ! • State! 2:! De! auto’s! worden! (indien! er! een! vraag! is)! van! vermogen! voorzien.! De! energieopslag! kan! het! gecombineerde,! overblijvende! vermogen! van! het! net! en! de! zonnepanelen! niet! snel! genoeg! opnemen.! Het! vermogen! dat! van! het! net! getrokken!wordt!zal!dalen!en!niet!meer!gelijk!aan!het!maximale!netvermogen.! ! • State! 3:! De! auto’s! worden! (indien! er! een! vraag! is)! van! vermogen! voorzien.! De! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! •

17! Niet! alle! energie! die! fysisch! aanwezig! is! in! een! batterij! kan! gebruikt! worden.! Voor! loodU

zuur!batterijen!is!80!%!een!goede!richtwaarde.!

33! !

! !

•

•

•

energieopslag! is! vol! opgeladen,! dus! behoeft! geen! vermogen! (behalve! als! compensatie! voor! de! zelfontlading).! Het! vermogen! van! het! net! zal! weer! niet! maximaal! zijn.! Indien! de! vermogensvraag! van! de! auto’s! beperkt! is,! en! de! zonnepanelen!een!hoge!output!hebben,!kan!het!zelfs!dat!er!energie!terug!in!het! net!geïnjecteerd!wordt.! ! State!4:!De!auto’s!worden!van!vermogen!voorzien.!Het!gehele!vermogen!van!het! net! en! zonnepanelen! wordt! gebruikt! om! de! wagens! op! te! laden,! de! resterende! vermogensvraag!wordt!voorzien!door!de!batterij.! ! State! 5:! Het! gehele! vermogen! van! het! net! en! zonnepanelen,! samen! met! het! maximale! vermogen! uit! de! energieopslag! voldoet! niet! om! de! wagens! van! vermogen! voorzien.! Deze! state! moet! vermeden! worden! indien! het! doel! is! om! alle!wagens!van!vermogen!te!voorzien.! ! State!6:!Het!gehele! vermogen!van!het!net!en! zonnepanelen,!voldoet!niet!om!de! wagens! van! vermogen! voorzien.! Er! kan! geen! beroep! gedaan! worden! op! de! batterij,! want! deze! is! volledig! ontladen.! Deze! state! moet! vermeden! worden! indien!het!doel!is!om!alle!wagens!van!vermogen!te!voorzien.! ! !

! 34! !

! ! Figuur!3S5.!!Beslissingsschema!laadstation.!

Om! de! eerste! beslissing! in! het! beslissingsschema! “Energie! aanbod! aan! opslag?”! te! beantwoorden,! wordt! gekeken! of! de! vermogensvraag! van! de! auto’s! kleiner! dan! de! som! van! het! maximale! netvermogen! en! het! vermogen! uit! de! zonnepanelen.! Hierbij! zijn! de! efficiënties! ηSNELLADER! en! ηPV! in! rekening! gebracht.! Indien! dit! zo! is,! is! er! een! vermogenmarge,!die!gebruikt!kan!worden!om!de!batterij!op!te!laden!(antwoord!ja).! Indien!het!vermogen!van!de!auto’s!groter!is,!moet! energie!van!de!batterijen!komen! om! toch! aan! de! vermogensvraag! te! beantwoorden! (antwoord! nee).! Bovenstaande! afweging!komt!neer!op!het!evalueren!van!volgende!waarde:! !!"#$%& − !!" ∗ !!"#$$%&#' ∗ !!" − !!"# ∗ !!"#$$%&#' ! !!"#$$%&#' De! verschillende! efficiëntiewaarden! (η)! zijn! weergegeven! in! tabel! 3U7.! PWAGENS! is! de! vermogensvraag!van!de!wagens,!PNET!is!het!vermogen!uit!de!netaansluiting.!! Voor!de!vragen!“Opslag!maximaal!opgeladen?”!en!“Energieopslag!leeg?”!volstaat!een! snelle!controle!van!de!SOC.!Is!de!SOC!gelijk!aan!respectievelijk!100!%!of!20!%,!dan!is! het! antwoord! op! de! vragen! ja.! Ligt! de! SOC! tussen! de! 20!%! en! 100!%,! dan! is! het! antwoord!nee.!! De! laatste! vraag! “Kan! opslag! vermogen! aan?”! werkt! in! twee! richtingen:! enerzijds! wanneer!de!batterij!opgeladen!wordt!en!anderzijds!wanneer!ze!ontladen!wordt.!Elke! batterij! heeft! een! specifieke! vermogensdichtheid! waar! ze! niet! boven! kan! zonder! beschadigd!te!worden!(tabel!3U7).!Meestal!is!deze!waarde!verschillende!voor!het!opU! en!ontladen,!waarbij!de!vermogensdichtheid!typisch!bij!het!ontladen!hoger!is.!Hier!is! voor!de!eenvoud!de!kleinste!waarde!van!de!twee!gekozen,!die!dan!geldt!voor!het!opU! en!ontladen.!Dit!vermogen!hangt!ook!af!van!de!SOC!van!de!batterij.!In!de!simulatie!is! volgende! vereenvoudiging! doorgevoerd:! voor! een! SOC! lager! dan! 80!%,! is! het! maximale! vermogen! dat! de! batterij! aankan! zowel! voor! opU! als! ontladen! gelijk! het! specifiek! vermogen! vermenigvuldigd! met! de! massa! van! de! batterij.! Enkel! voor! een! SOC!hoger!dan!80!%,!moet!trager!geladen!worden.!Voor!de!exacte!berekeningen,!zie! appendix!B.! Het! model! leent! zich! ertoe! het! soort! energieopslag! eenvoudig! te! vervangen.! Indien! een! ander! soort! batterijen,! vliegwielen,! waterstof! of! nog! een! andere! opslagtechnologie! getest! wordt,! volstaat! het! een! aantal! parameters! aan! te! passen.! Deze! zijn! voornamelijk! de! specifieke! energieU! en! vermogensdichtheid,! de! laadefficiëntie,! en! zelfontladingsfactor.! Het! gaat! wel! om! een! vereenvoudiging.! Hetzelfde! model! is! toegepast! voor! batterijen! en! vliegwielen.! Die! vergelijking! wordt! gemaakt!in!paragraaf!5.3.!

35! !

! !

3.7!Berekening!van!het!maximaal!leverbare!vermogen!en! SOC!! Van!twee!belangrijke!waarden,!die!vaak!gebruikt!worden!in!het!model,!worden!hier! de!berekeningswijze!getoond.!De!eerste!is!het!maximaal!leverbare!vermogen!naar!de! wagens! toe.! Deze! waarde! houdt! rekening! met! het! maximale! netvermogen,! het! vermogen! van! de! PVUinstallatie,! en! het! leverbare! vermogen! van! de! energieopslag.! Daarbij! zijn! ook! alle! relevante! efficiënties! in! rekening! gebracht,! die! het! vermogen! verkleinen.! Dit! maximale! vermogen! is! tijdsafhankelijk! aangezien! het! vermogen! van! de!zonnepanelen!ook!tijdsafhankelijk!(weersafhankelijk)!is.!Het!maximale!vermogen! uit!het!net!en!de!energieopslag!zijn!configuratieafhankelijk,!maar!tijdsconstant.! Het!maximaal!leverbaar!vermogen!wordt!als!volgt!berekend:! !!"# ! = !!" ! ∗ !!" + !!"#,!"#$ ∗ !!"# ∗ !!"# + !!"#,!"# ! ∗ !!" %%

(1)!

Hierbij!is:! PMAX(t):! het!maximaal!leverbare!vermogen!aan!de!wagens! [kW]!! PPV(t):! is!het!vermogen!dat!van!de!zonnepanelen!komt! [kW]!! PBAT,SPEC:! de!vermogensdichtheid!van!de!energieopslag! [kW/kg]! mBAT:! de!massa!van!de!energieopslag! [kg]! PNET,MAX:! het!maximale!vermogen!van!de!netaansluiting! [kW]! ηPV:! de!efficiëntie!van!de!PVUconvertor! (dimensieloos)! ηBAT:! de!ontlaadefficiëntie!van!de!energieopslag! (dimensieloos)! ηSL:! de!laadefficiëntie!van!de!snelladers! (dimensieloos)! ! De! tweede! belangrijke! berekening! is! de! SOC! van! de! energieopslag! van! het! station.! Deze!is!eenvoudiger!en!wordt!als!volgt!berekend:! !"# ! = 100 ∗

!(!) !!"#!!""

%

(2)!

Hierbij!is:! SOC(t):! E(t):! EMAX!EFF:! !

de!State!of!Charge!van!de!energieopslag! de!energie!opgeslagen!in!de!energieopslag! de!maximale!effectieve!energie!in!de!energieopslag!

[%]! [kWh]! [kWh]!

3.8!Besluit! Het! gemodelleerde! station! kan! opgedeeld! worden! in! de! netaansluiting,! het! PVU systeem,! de! energieopslag! en! de! feitelijke! snelladers.! Het! doel! is! om! deze! verschillende! onderdelen! op! elkaar! af! te! stemmen,! zodat! een! evenwichtige! wisselwerking!bereikt!wordt.!Zo!dienen!de!zonnepanelen!ter!ontlasting!van!het!net.! Omdat! vermogensvraag! van! de! auto’s! en! vermogenaanbod! van! de! zonnepanelen! geen!gelijktijdigheid!vertonen,!is!er!nood!aan!energieopslag.!Deze!voorzien!de!loodU zuur! batterijen.! Een! andere! functie! van! de! batterijen! zijn! om! de! piek! en! het! dal! in! 36! !

! ! vermogensvraag!af!te!vlakken!en!de!netaansluiting!te!beperken!in!grootte.! Met! een! ideale! voorspelling! van! de! vermogensvraag! kunnen! zonnepanelen,! batterijen! en! netaansluiting! zo! gedimensioneerd! worden,! dat! zowel! alle! vermogensvraag!van!de!auto’s!beantwoord!wordt,!alsook!de!netaansluiting!efficiënt! benut!wordt.!Een!schatting!van!de!vermogensvraag!is!reeds!gemaakt!in!hoofdstuk!2.! Het! station! wordt! zo! aangestuurd! dat! de! batterij! steeds! wordt! opgeladen! indien! vermogen! over! is,! en! ontladen! indien! de! vraag! het! aanbod! overstijgt.! De! vraag! is! gelijk! aan! de! vermogensvraag! van! de! auto’s.! Het! aanbod! wordt! bepaald! door! netaansluiting!plus!vermogen!uit!de!zonnepanelen.!De!zonnepanelen!maken!dus!deel! uit! van! het! algoritme! en! hebben! hun! bijdrage! in! het! gedrag! van! het! station.! In! het! volgende!hoofdstuk!worden!de!feitelijke!resultaten!van!het!model!besproken.!

37! !

! !

Hoofdstuk!4. Resultaten!van!het! model! In!dit!hoofdstuk!komen!de!resultaten!van!de!simulatie!van!het!laadstation!aan!bod.! Voor! alle! berekeningen! is! MATLAB! 7.12.0! (v.! R2011a)18! gebruikt.! De! uiteindelijke! MATLABUcode,!gebruikt!voor!de!berekeningen,!is!ter!beschikking!gesteld!in!appendix! B.!! Aan!de!hand!van!een!voorbeeldsimulatie!worden!de!belangrijkste!inU!en!output!van! het! model! besproken.! De! input! bestaat! uit! het! vermogen! van! de! zonnepanelen,! de! vermogensvraag! van! de! elektrische! wagens,! het! maximale! vermogen! van! de! netaansluiting! en! de! grootte! van! de! energieopslag.! De! output! is! de! SOC! van! de! batterijcellen! (energieopslag)! en! het! vermogen! dat! uit! het! net! gehaald! wordt.! De! netefficiëntie! komt! ook! aan! bod.! De! bespreking! van! het! aanstuuralgoritme! dat! gebruikt!is!om!tot!deze!resultaten!te!komen,!is!in!het!vorige!hoofdstuk!reeds!aan!bod! gekomen!(paragraaf!3.6).!!

4.1!Referentiemodel! De! inU! en! output! van! de! voorbeeldsimulatie! is! visueel! samengevat! in! figuur! 4U1.! De! figuur!toont!de!volgende!vier!grafieken!(van!boven!naar!onder):!! −

de!SOCUwaarde!van!de!energieopslag,!hier!de!loodUzuur!batterijen!

−

het!vermogen!uit!het!net!

−

het!vermogen!afkomstig!van!de!zonnepanelen!

−

het!vermogen!vereist!voor!de!wagens!

! Elk! van! deze! grafieken! worden! besproken! in! de! volgende! paragrafen.! De! vier! grootheden! zijn! voor! een! tijdsvenster! van! een! week19! berekend.! Alle! concrete! waarden! die! voorkomen! in! dit! hoofdstuk! zijn! (tenzij! expliciet! anders! vermeld)! van! toepassing!op!deze!figuur.!Voor!het!maximale!vermogen!van!de!netaansluiting!en!de! grootte!van!de!energieopslag!zijn!geen!‘optimale’!waarden!gekozen.!Hiermee!wordt! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 18! Voor! meer! informatie! http://www.mathworks.nl/!

over!

Matlab!

wordt!

naar!

de!

website!

verwezen:!

19!Naar!deze!week!wordt!vanaf!nu!steeds!verwezen!als!‘de!gesimuleerde!week’.!

38! !

! ! een!combinatie!van!aansluiting!en!opslag!bedoeld,!die!een!volledige!beantwoording! van!de!energieU!en!vermogensvraag!garandeert.!In!hoofdstuk!5!komen!simulaties!aan! bod! waar! dit! wel! gebeurt.! Wel! zijn! de! parameters! hier! zo! gekozen,! dat! het! station! zich! in! zo! veel! mogelijk! verschillende! toestanden! zou! bevindt! (energieopslag! volledig!ontladen/opgeladen!in!combinatie!met!negatief/positief!vermogen!naar!het! net,!enz).!Dit!om!alle!aspecten!van!het!station!aan!bod!te!laten!komen.!De!waarden! van! belangrijkste! stationsgerelateerde! parameters,! specifiek! voor! deze! simulatie,! zijn!in!tabel!4U1!aangehaald.! !

!

! Figuur!4S1.!!De!belangrijkste!inS!en!output!voor!het!station!v.b.n.o.:!SOC,!netvermogen,! PVSvermogen!en!vereist!vermogen.!

!

! 39!

!

! ! Symbool!

Waarde!

Symbool!

Waarde!

PMAX!

511…551!kW!

PNET,MAX!

50!kW!

PPV(t)!

0…!!50!kW!

ηPV!

95!%!

PBAT,SPEC!

50!W/kg!

ηBAT!

85!%!

mBAT!

12!960!kg!

ηSNELLADER!

85!%!

Tabel!4S1.!!Stationsgerelateerde!parameters!van!de!voorbeeldsimulatie.!

4.2!Vermogen!van!het!fotovoltaïsch!systeem! Om! tot! het! vermogenprofiel! van! de! PV! te! komen! zijn! zeven! willekeurige! dagen! gekozen!uit!de!voorhanden!data!(zie!paragraaf!3.4).!Deze!dagen!zijn!achtereen!gezet! om! een! input! voor! een! week! te! verkrijgen.! De! grote! variatie! in! totale! energie! is! meteen! duidelijk.! Zo! leveren! donderdag! en! zaterdag! slechts! een! fractie! van! de! energie!die!woensdag!geleverd!wordt.!Dit!heeft!echter!geen!al!te!grote!invloed!op!het! gedrag!van!het!station!omwille!van!twee!redenen.!Ten!eerste!is!het!vermogen!van!de! zonnepanelen! beperkt.! PVUvermogen! vormt! in! ieder! geval! een! beperkt! aandeel! van! het!totale!vermogen.!Ten!tweede!maakt!figuur!4U1!duidelijk!dat!op!het!moment!dat! het! vermogen! van! de! zonnepanelen! maximaal! is! (rond! het! middaguur),! de! batterij! vaak! volledig! opgeladen! is.! Het! PVUvermogen! wordt! gewoon! in! het! elektrische! net! geïnjecteerd,! waardoor! zijn! bijdrage! voor! het! station! zelf! wegvalt.! Een! grotere! energieopslag! zou! hier! een! oplossing! kunnen! bieden,! maar! vraagt! om! een! hogere! investeringskost.!De!wisselwerking!tussen!grotere!energieopslag!en!vermogen!uit!de! PVUinstallatie! wordt! onderzocht! in! paragraaf! 5.2.! In! dezelfde! paragraaf! wordt! het! gedrag!besproken!van!het!station!met!een!erg!grote!PVUinstallatie.!!

4.3!Vermogen!naar!de!wagens! Het!vermogen,!nodig!om!de!wagens!op!te!laden,!is!berekend!uit!een!van!de!sets,!zoals! besproken!in!paragraaf!2.3.2.!Hier!is!willekeurig!een!set!uitgekozen.!Een!gemiddelde! van! verschillende! sets! is! niet! gebruikt,! dit! zou! de! vermogenspieken! afvlakken! en! daarmee! een! vertekend! beeld! van! de! belasting! op! het! station! geven.! Hoewel! het! gemiddelde!vermogen!slechts!26!kW!bedraagt,!zijn!pieken!te!bemerken!van!310!kW.! Het! maximaal! leverbare! vermogen! (zie! vergelijking! (1)! in! paragraaf! 3.6)! ligt! ruim! boven! deze! piekwaarde,! hoewel! het! maximale! vermogen! van! de! netaansluiting! (50!kW)!gevoelig!lager!ligt.!Het!net!alleen!zou!het!vermogen!niet!kunnen!leveren.!De! zonnepanelen! en! vooral! de! batterijen! zorgen! voor! de! nodige! aanvulling.! Figuur! 4U2! toont!welk!aandeel!respectievelijk!de!netaansluiting,!de!energieopslag!en!de!PV!van! het!totale!haalbare!vermogen!uitmaken!(verschillende!grijstonen).!In!het!wit!is!ook! de! werkelijke! vermogensvraag! afgebeeld.! Zelfs! al! zou! het! vermogen! uit! de! PVU installatie! groter! zijn,! komt! het! moment! van! piekvraag! niet! overeen! met! de! piekperiode! van! aanbod! aan! PVUvermogen.! Het! maximale! vermogen! dat! van! de! energieopslag! kan! komen! is! afhankelijk! van! de! opslaggrootte.! Bij! de! simulatie! van! een! alternatieve! configuratie! van! het! station! met! kleinere! energieopslag! kan! het! nodige!vermogen!problematisch!zijn!(zie!paragraaf!5.1.1).! 40! !

! ! !

! Figuur!4S2.!!Herkomst!van!vermogencapaciteit!in!het!station!over!een!week!tijd.!

4.4!Netvermogen! De! netaansluiting! is! hier! beperkt! op! 50! kW.! Dit! is! in! figuur! 4U1! te! zien! door! de! duidelijke! afknotting! bij! +50!kW.! Hoewel! voor! deze! simulatie! de! situatie! niet! voorkomt,!is!in!het!model!voorzien!dat!er!ook!niet!meer!dan!50!kW!van!het!station! naar!het!net!gevoerd!kan!worden.!Tijdens!de!middaguren!met!voldoende!vermogen! van!de!zonnepanelen!en!een!opgeladen!batterij,!is!in!het!profiel!van!het!netvermogen! een!spiegeling!van!het!PV!vermogen!te!zien.!Hierbij!is!het!netvermogen!ook!negatief.! Op! deze! momenten! wordt! het! vermogen! van! de! zonnepanelen! naar! het! net! geleid.! Het! station! zelf! kan! deze! energie! namelijk! niet! opslaan.! Een! alternatief! zou! zijn! om! de!zonnepanelen!op!die!momenten!af!te!sluiten.!Wat!de!optimale!keuze!is,!is!hier!niet! verder! onderzocht.! Er! wordt! verondersteld! dat! het! net! steeds! het! vermogen! kan! opnemen,!zolang!dit!kleiner!is!als!het!maximale!vermogen!waarop!de!netaansluiting! gedimensioneerd!is.! Het! net! kan! en! zal! in! tegenstelling! tot! de! PVUinstallatie! bijna! 24!u! lang! vermogen! trekken.!Op!zeldzame!momenten!waarbij!de!energieopslag!volledig!opgeladen!is!en! er! geen! vermogensvraag,! noch! aanbod! is,! is! het! netvermogen! gelijk! aan! nul.! Voornamelijk!’s!avonds!is!energie!nodig!om!de!energieopslag!te!ondersteunen!bij!het! voorzien!van!de!laadvraag.!De!belasting!van!het!net!loopt!door!tot!in!de!ochtend!om! de!energieopslag!terug!op!te!laden.!Op!het!moment!dat!de!vermogensoutput!van!de! PVUinstallatie! stijgt,! is!de! batterij! vaak! volledig! opgeladen! (figuur! 4U1).! In! paragraaf! 4.7! zal! duidelijk! worden! dat! voor! deze! simulatie! 85!%! van! de! energie! van! het! net! afkomstig!is,!en!slechts!15!%!van!de!PVUinstallatie.!Dit!hoewel!het!piekvermogen!van! de!PVUinstallatie!groter!is!dan!dat!van!de!netaansluiting.!Een!alternatieve!aansturing! van! het! station,! waarbij! het! net! de! batterij! niet! oplaadt! tot! 100!%! SOC,! maar! het! laatste! deel! overlaat! aan! de! (verwachte)! zonneUenergie,! zou! hier! verandering! in! kunnen!brengen.!Dit!is!hier!niet!verder!onderzocht.! 41! !

! ! Steeds!wanneer!de!batterij!niet!volledig!opgeladen!is,!is!het!netvermogen!maximaal.! Indien! er! vermogensvraag! is! van! de! wagens! gaat! het! netvermogen! direct! naar! de! wagens! toe! om! de! verliezen! bij! het! opU! en! ontladen! van! de! batterij! te! omzeilen.! Indien!er!geen!vermogensvraag!is!van!de!wagens!gaat!de!energie!naar!de!batterij.!Dit! heeft! op! sommige! momenten! een! erg! volatiele! curve! als! gevolg,! waarbij! het! netvermogen!om!de!minuut!van!maximaal!vermogen!naar!nulvermogen!gaat.!Om!de! impact!van!het!station!op!het!plaatselijke!net!te!bestuderen,!kan!de!grafiek!van!het! netvermogen!uit!figuur!4U1!gebruikt!worden.!Dit!is!de!enige!interactie!met!het!net.!

4.5!SOC!energieopslag! De!nominale!en!effectieve!energieUinhoud!van!de!batterijen!bedraagt!respectievelijk! 500!kWh! en! 400! kWh.! De! effectieve! energieUinhoud! is! gelijk! aan! 80!%! van! de! nominale.! Aangezien! met! de! effectieve! waarde! gerekend! wordt,! heeft! de! SOC! als! ondergrens!0!%,!niet!20!%.!Alle!wagens!worden!van!het!nodige!vermogen!voorzien! indien! aan! twee! voorwaarden! voldaan! is.! Een! ervan! is! reeds! aan! bod! gekomen! in! paragraaf!4.3,!en!kan!niet!meteen!visueel!uit!figuur!4U1!gehaald!worden,!maar!dient! berekend!te!worden.!Dit!is!een!vermogensbeperking.!Een!andere!voorwaarde!is!dat! voldoende! energie! voorhanden! is.! Indien! het! net! maximaal! benut! wordt! (hier! aan! 50!kW),!en!de!batterijen!zijn!volledig!ontladen!(hier!0!%!SOC,!of!20!%!SOCNOM),!is!dit! een! teken! dat! er! een! tekort! is! aan! energie.! Rekening! houdend! met! het! aanstuuralgoritme! van! het! model,! komen! deze! momenten! overeen! met! elk! punt! waarbij!de!SOCUgrafiek!van!figuur!4U1!aan!0!%!raakt.!Bij!deze!simulatie!is!dus!meteen! duidelijk! dat! de! wagens! tijdens! de! nacht! van! maandag! op! dinsdag! niet! voldoende! vermogen! zullen.! Tijdens! de! nacht! van! donderdag! op! vrijdag! is! er! nog! een! kleine! marge.!

4.6!Netefficiëntie! De! netefficiëntie! is! een! waarde! waarmee! uitgedrukt! wordt! in! welke! mate! de! netaansluiting! gebruikt! wordt! aan! zijn! maximale! vermogen.! Een! hoge! netefficiëntie! is! tevens! een! aanduiding! voor! een! intens! gebruikt! van! de! energieopslag,! en! omgekeerd.!Een!station!met!weinig!energieopslag!zal!namelijk!zo!goed!als!geheel!de! vermogensvraag! doorspelen! naar! het! net.! Dit! zorgt! ervoor! dat! het! net! sommige! ogenblikken!een!erg!hoog!vermogen!moet!leveren!in!vergelijking!tot!de!gemiddelde! vermogensvraag.! Een! net! dat! zo! uitgebaat! wordt,! bezit! een! lage! (benuttingsU)efficiëntie.! Dit! wordt! verder! verduidelijkt! in! paragraaf! 5.1.! De! netefficiëntie!wordt!als!volgt!berekend:!! ! !""#"

!!"# = 100 ∗

!!"# (!)!

(!!"#,!"# ∗ 10080)!

!!!

! 42! !

! ! ! Hierbij!is:! ηNET:! de!gebruiksefficiëntie!van!de!netaansluiting! PNET(t):! de!ogenblikkelijke!vermogenstroom!door!de!netaansluiting! PNET,MAX:! het!maximale!vermogen!van!de!netaansluiting!

[%]!! [kW]!! [kW]!

De!absolute!waarde!is!genomen!omdat!soms!het!netvermogen!negatief!kan!zijn.!Deze! momenten!verhogen!eveneens!de!totale!netefficiëntie.!De!factor!10!080!is!gelijk!aan! het! aantal! minuten! in! een! week.! Aangezien! de! simulatie! in! discrete! tijdstappen! gebeurt,! wordt! de! som! genomen! i.p.v.! de! integraal.! De! netefficiëntie! is! voor! deze! simulatie!gelijk!aan!71!%.!

4.7!Energiebalans! De! verliezen! in! het! model! zijn! tot! nog! toe! slechts! oppervlakkig! aangehaald,! hoewel! ze!een!belangrijk!aspect!uitmaken!van!het!station.!Alle!verliezen!die!optreden!bij!het! transporteren!of!omzetten!van!energie!zijn!in!rekening!gebracht.!Dit!is!gebeurd!door! elke! energieoverdracht! een! zekere! efficiëntie! toe! te! kennen.! Deze! coëfficiënten! zijn! voor! de! verschillende! componenten! vereenvoudigd! (zie! ook! paragrafen! 3.2! t.e.m.! 3.4)!de!efficiëntie!is!vermogenU!en!tijdsonafhankelijk.! Figuur! 4U3! toont! een! SankeyUdiagramma20! met! de! verschillende! energiestromen! in! het!station.!Om!aan!de!waarden!in!figuur!4U3!te!komen!zijn!dezelfde!inputparameters! gebruikt! als! voor! het! model! besproken! in! bovenstaande! paragrafen.! Enkel! zijn! nu! 1000!iteraties!uitgevoerd,!telkens!met!verschillende!input!voor!het!PVUvermogen!en! verschillende! sets! vermogensvraag! van! de! wagens.! Aangezien! slechts! 40! sets! voorhanden!zijn!voor!het!laadgedrag!van!de!wagens,!zijn!hier!sets!hergebruikt.!Van! de!resultaten!is!dan!het!gemiddelde!genomen.!De!verliezen!zijn!de!volgende!(voor!de! verklaring!van!de!letters,!zie!figuur!4U3):! •

verliezen!in!de!PVUinvertor.!Hiervoor!is!een!factor!ηPV!geïntroduceerd,!gelijk! aan!95!%.!Deze!brengt!het!energieverlies!in!rekening!dat!verloren!gaat!bij!het! omzetten! van! de! energie! die! direct! uit! de! zonnepanelen! komt! naar! het! net! (H).!

•

verliezen! bij! de! opU! en! ontlading! van! de! batterij.! Hiervoor! is! een! factor! ηBAT! geïntroduceerd,! gelijk! aan! 85!%.! Bij! het! opladen! brengt! deze! factor! het! verschil! in! rekening! tussen! de! energie! die! verbruikt! is! bij! het! laden! en! de! feitelijke! energie! die! opgeslagen! wordt! in! de! batterij.! Voor! het! ontladen! brengt! de! factor! het! verschil! in! rekening! tussen! de! daling! in! energie! in! de! batterij!en!de!bruikbare!energie!die!hierbij!verkregen!is!(E).!

•

verliezen! bij! het! snelladen.! Hiervoor! is! een! factor! ηSL! geïntroduceerd,! gelijk! aan! 85!%.! Deze! brengt! de! verliezen! in! de! snellader! zelf! in! rekening,! maar! eveneens! de! verliezen! in! de! batterij! van! het! voertuig.! Deze! laatste! bestaan! voornamelijk!uit!thermische!verliezen!(G).!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 20! Gemaakt! met! het! programma! e!sankey% Pro,! ifu! Hamburg! GmbH.! Website:! http://www.eU sankey.com/en/.!

43! !

! ! •

Zelfontlading!van!de!batterij.!Hiervoor!is!een!factor!fZOL!geïntroduceerd,!gelijk! aan!1,2!10U6!%/min!(I).!

A! B!

Energie!uit!de!zonnepanelen.! Energie!uit!het!net.!

C! D! E! F! G! H! I!

Energie!die!opgeslagen!is!in!de!energieopslag!van!het!station.! Energie!van!de!zonnepanelen,!die!terug!in!het!net!gevoerd!wordt.! Verliezen!bij!het!opU!en!ontladen!van!de!energieopslag.! Energie!die!opgeslagen!is!in!de!batterijen!van!de!wagens.! Verliezen!in!de!snellader!en!batterijen!van!de!wagens.! Verliezen!in!de!PV!invertor.! Verliezen!te!wijten!aan!zelfontlading!van!de!energieopslag.!

!

Figuur!4S3.!!SankeySdiagramma!met!de!energie!naar!en!van!het!station.!

! Opvallend! is! dat! hoewel! de! PVUinstallatie! een! bijna! verwaarloosbaar! vermogenaandeel! heeft! (op! een! paar! piekmomenten! na),! bezit! het! een! energieaandeel! van! 15!%.! Deze! 15!%! worden! niet! volledig! verbruikt! in! het! station,! 9,4!%! vloeit! direct! in! het! net.! Het! netto! energetische! aandeel! van! de! zonnepanelen! bedraagt! slechts! 6,1!%.! Dit! ondanks! dat! de! netaansluiting! een! kleiner! maximaal! vermogen! kan! leveren! (50!kW)! dan! de! PVUinstallatie! (60!kW).! De! totale! efficiëntie! van!het!station,!zoals!het!nu!geconfigureerd!is,!bedraagt!76!%.!Dit!is!berekend!als!de! verhouding!van!de!nuttig!gebruikte!energie!(C!+!D!+!F!!=!5174!kWh),!gedeeld!door!de! totale! instroom! van! energie! (A!+!B! =!6799!kWh).! De! voornaamste! verliezen! zijn! afkomstig!van!de!snelladers!en!het!(ont)laden!van!de!energieopslag.!De!zelfontlading! van!de!batterij!is!verwaarloosbaar!klein.!Dit!is!een!groot!voordeel!van!batterijen!als! energieopslag.! De! verliezen! in! de! PVUinvertor! zijn! eveneens! klein.! Een! afsluitende! bemerking! is! dat! het! aandeel! dat! opgeslagen! is! in! de! energieopslag! (C),! enkel! afhankelijk!is!van!beginU!en!eindwaarde!van!de!energieUinhoud!van!de!energieopslag.! Deze! energie! moet! meegeteld! worden! om! de! energiebalans! te! laten! kloppen.! De! waarde!zou!echter!ook!negatief!kunnen!worden,!indien!de!eindenergie!kleiner!is!dan! de!beginenergie.! 44! !

! !

4.8!Besluit! De!belangrijkste!onderdelen!van!het!station!zijn!de!PVUinstallatie,!de!netaansluiting,! de! energieopslag! en! de! snelladers! zelf.! De! plaats,! wisselwerking! en! functie! in! het! station! is! voor! elk! onderdeel! besproken.! Enkel! indien! de! onderdelen! in! functie! van! elkaar! gedimensioneerd! zijn! is! een! station! te! configureren! dat! in! staat! is! met! aanzienlijke!efficiëntie!de!vermogensvraag!te!beantwoorden.!! Voor! een! voorbeeldsimulatie! zijn! de! energieU! en! vermogenstromen! berekend.! Het! vermogen!wordt!vooral!opgevangen!door!de!batterijen!en!het!net.!De!PVUinstallatie! levert!hierin!een!beperkt!aandeel.!Het!grootste!deel!van!de!energie!is!afkomstig!van! het!net,!slechts!een!beperkt!deel!komt!van!de!PVUinstallatie.!Dit!is!enerzijds!te!wijten! aan! het! aansturingalgoritme! en! anderzijds! aan! het! feit! dat! netvermogen! ook! ’s! nachts!voorhanden!is,!wanneer!de!batterij!moet!herladen.!Dit!onevenwicht!is!echter! afhankelijk! van! het! piekvermogen! van! de! PVUinstallatie,! wat! duidelijk! zal! worden! gemaakt! in! paragraaf! 5.2.! De! verliezen! in! het! station! zijn! onderzocht.! Hieruit! blijkt! dat!de!voornaamste!verliezen!afkomstig!zijn!van!de!snelladers!en!het!(ont)laden!van! de! energieopslag.! De! zelfontlading! van! de! loodUzuur! batterijen! is! verwaarloosbaar.! Dit! is! een! belangrijk! voordeel! van! de! keuze! van! batterijen! als! energieopslag.! In! het! volgende!hoofdstuk!wordt!het!gedrag!van!het!station!besproken!onder!alternatieve! configuraties.!! !

45! !

! !

Hoofdstuk!5. Gedrag!van!het! station!onder!verschillende! configuraties.! In! het!vorige!hoofdstuk! zijn! de!resultaten!besproken,!die!te!berekenen!zijn!met! het! model!van!het!station.!Dit!zijn!de!SOC!van!de!energieopslag!en!de!netbelasting.!In!dit! hoofdstuk!wordt!verder!ingegaan!op!het!gedrag!van!het!station!onder!verschillende,! specifiek!vastgelegde!configuraties.!In!het!eerste!deel!komt!de!wisselwerking!tussen! maximaal! netvermogen! en! energieopslag! aan! bod,! alsook! hun! invloed! op! de! netefficiëntie!(gedefinieerd!in!paragraaf!4.6)!en!totale!efficiëntie!van!het!station.!Het! volgende! deel! zoomt! in! op! de! invloed! van! zonneUenergie! op! het! station.! Ten! slotte! wordt!de!vergelijking!gemaakt!tussen!batterijen!en!vliegwielen!als!energieopslag.!

5.1!TradeUoff!netaansluiting!–!energieopslag! Volgende! bespreking! gaat! over! stationconfiguraties! die! aan! 100!%! van! de! vermogensvraag!beantwoorden.!De!simulaties!die!uitgevoerd!en!besproken!worden! zijn! dus! zo! berekend! dat! ze! de! vermogenU! en! energievraag! ook! aankunnen.! Deze! vermogensvraag! (besproken! in! paragraaf! 2.3.2)! is! echter! die! van! één! bepaalde! set! wagens.! De! configuratie! garandeert! dus! geen! 100!%! dekkingsgraad! voor! elke! set! wagens,! maar! aangezien! de! sets! qua! energieU! en! vermogensvraag! erg! gelijkaardig! zijn,!dient!een!enkele!set!als!goede!richtwaarde.! Uit! hoofdstuk! 5! blijkt! reeds! dat! er! een! afweging! nodig! is! tussen! het! maximale! vermogen! van! de! netaansluiting! enerzijds! en! de! grootte! van! de! energieopslag! anderzijds.!Dit!omwille!van!verschillende!redenen:! −

Een! bepaald! vermogen! leverbaar! zijn! (het! gevraagde! vermogen! van! de! wagens! plus! compensatie! voor! de! verliezen).! Uit! paragraaf! 4.3! blijkt! dat! dit! vermogen! zowel! van! het! net! als! van! de! energieopslag! afkomstig! is.! Het! vermogen! uit! de! PVUinstallatie! vormt! slechts! een! klein! deel.! Een! netaansluiting! met! beperkt! vermogen! impliceert! dat! het! merendeel! van! het! vermogenaanbod! afkomstig! is! van! de! energieopslag.! Wegens! een! beperkte! vermogensdichtheid! van! de! energieopslag!(gemiddeld!gezien!50!W/kg)21,!betekent!een!kleiner!netvermogen! dus!een!grotere!energieopslag.!!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 21!Het!specifieke!vermogen!van!de!energieopslag!is!afhankelijk!van!de!tijdsduur!die!de!opslag!

(ont)laadt.! 50! W/kg! komt! overeen! met! het! specifieke! vermogen! dat! de! opslag! kan! leveren! gedurende!een!tijdsduur!die!overeenkomt!het!de!meeste!piekvermogens![27].!

46! !

! ! −

Een! tweede! reden! is! dat! de! energie! uit! de! PVUinstallatie! in! een! grote! energieopslag!opgeslagen!worden,!zodat!deze!energie!later!uit!de!energieopslag! gebruikt!kan!worden,!i.p.v.!uit!het!net!gehaald!moet!worden.!!

−

Een! derde! reden! voor! de! tradeUoff! is! dat! indien! meer! energie! opgeslagen! kan! worden,! het! net! langer! aan! zijn! maximale! vermogen! uitgebaat! kan! worden! (bij! weinig!vraag!kan!de!energieopslag!verder!opgeladen!worden,!bij!veel!vraag!gaat! het!vermogen!direct!naar!de!wagens).!

Figuur! 5U1! toont! de! combinatie! van! energieopslag! en! maximaal! netvermogen! die! garandeert!dat!aan!de!vermogenvraag!beantwoord!is.!Deze!figuur!is!berekend!door! een! simulatie! uit! te! voeren! met! elke! keer! meer! energieopslag.! Vervolgens! is! voor! elke!stap!in!energieopslag!geïtereerd!met!een!steeds!groter!maximaal!netvermogen,! tot! het! nodige! vermogen! gevonden! is! om! alle! wagens! van! energie! en! vermogen! te! voorzien.! Daarbij! moet! aan! volgende! randvoorwaarden! voldaan! zijn! op! elk! tijdsmoment:! !!"#$%& ! !!"

− !!" ! ∗ !!" − !!"#,!"# ! ≤ ! !!"#,!"#$ ∗ !!"# ∗ !!"# !! (3)! ! ! ≥ !!"# ! (4)!

PWAGENS(t)! stelt! hierbij! de! vermogensvraag! van! de! wagens! voor! in! kW.! Alle! andere! variabelen!zijn!reeds!aan!bod!gekomen!in!vergelijkingen!(1)!en!(2).!Dit!zijn!de!twee! voorwaarden! die! garanderen! dat! het! station! niet! in! states! 5! of! 6! terechtkomt,! waarbij! niet! alle! wagens! van! vermogen! voorzien! worden! (zie! paragraaf! 3.6).! Vergelijking!(3)!is!een!vermogen!gerelateerde!randvoorwaarde,!vergelijking!(4)!een! energie! gerelateerde.! Beide! voorwaarden! kunnen! veranderen! indien! het! station! anders!aangestuurd!zou!worden.!Ze!zijn!dus!aansturingafhankelijk.!Voor!elk!van!de! iteraties! is! een! input! nodig! voor! het! PVUvermogen.! Hiervoor! is! elke! keer! dezelfde! input!gekozen,!om!vooral!de!invloed!van!energieopslag!en!netaansluiting!te!kunnen! bestuderen.! Figuur! 5U2! en! 5U3! tonen! respectievelijk! de! netefficiëntie! en! totale! efficiëntie! van! de! configuratie!en!zijn!berekend!met!de!zelfde!resolutie!in!energieopslag!(nl.!1!kWh!per! iteratie)!en!interval!als!figuur!5U1.!Figuren!5U1!tot!5U3!zijn!op!te!delen!in!drie!delen.! Deze! worden! nu! afzonderlijk! besproken! in! volgende! paragrafen.! Hierbij! worden! voor! elk! deel! een! combinatie! gekozen! van! maximaal! netvermogen! en! grootte! van! energieopslag.! Voor! deze! combinatie! wordt! dat! een! simulatie! uitgevoerd.! Voor! elk! van!de!drie!combinaties!(zie!Tabel!5U1)!wordt!geanalyseerd!wat!de!wisselwerking!is! tussen!de!verschillende!componenten!in!het!station.!! ! Simulatie!

A!

B!

C!

Maximaal!netvermogen!

[kW]!

280!

81!

45!

Grootte!energieopslag!

[kWh]!

100!

500!

900!

Efficiëntie!netaansluiting! [%]!

13,1!

51,4!

88,7!

Totale!efficiëntie!station! [%]!

85,7!

78,6!

73,6!

Tabel!5S1.!!Gekozen!combinaties!van!netvermogen!en!energieopslag!per!simulatie.!

47! !

! !

! Figuur!5S1.!!TradeSoff!tussen!grootte!energieopslag!en!netvermogen.!

! Figuur!5S2.!!Netefficiëntie!in!functie!van!grootte!energieopslag.!

! Figuur!5S3.!!Totale!efficiëntie!van!het!station!i.f.v.!de!grootte!van!de!energieopslag.!

48! !

! !

5.1.1!Simulatie!A.!Grote!netaansluiting,!kleine!energieopslag! Het! eerste! deel! van! figuur! 5U1,! gescheiden! door! de! stippellijn,! loopt! voor! een! energieopslag!van!0!tot!205!kWh.!De!beperkende!factor!over!heel!dit!interval!is!het! vermogen,! bepaald! door! vergelijking! (3).! De! energie! vormt! hier! dus! geen! beperkende!factor.!De!energieopslag!heeft!in!dit!interval!een!nog!beperkt!aandeel!in! de! vermogenvoorziening,! dus! moet! de! netaansluiting! het! grootste! deel! van! het! gevraagde! vermogen! voorzien.! Het! vereiste! maximale! netvermogen! daalt! snel! met! toenemende!energieopslag.!De!netefficiëntie!is!typisch!zeer!laag.!! Een! eerste! simulatie! is! uitgevoerd! voor! het! station! met! als! maximaal! netvermogen! 280!kW!en!energieopslag!100!kWh.!De!resultaten!voor!de!SOC!van!de!batterij!en!het! netvermogen! toont! figuur! 5U4.! De! beperkte! energieopslag,! wordt! nauwelijks! benut.! De!vorm!van!de!vermogensvraag!van!de!wagens!is!bijna!volledig!te!herkennen!in!het! netvermogen.! Enkel! op! momenten! met! weinig! vraag! wordt! vermogen! in! het! net! geïnjecteerd!(afkomstig!van!de!PVUinstallatie).!Het!net!vertoont!een!hoge!volatiliteit! met! een! periodisch! gedrag! met! een! periode! van! een! dag.! De! energieopslag! is! niet! groot,!en!bovendien!wordt!zijn!capaciteit!nauwelijks!benut.!Dit!resulteert!in!een!erg! lage!netefficiëntie!van!13,1!%.!! !

! Figuur!5S4.!!SOC!en!netvermogen!voor!simulatie!A.!

Figuur! 5U5! toont! analoog! aan! figuur! 4U2! de! herkomst! van! het! nodige! vermogen.! Hierin! heeft! de! energieopslag! wel! een! aandeel.! Moest! deze! er! niet! zijn,! zou! het! maximale! netvermogen! nog! hoger! moeten! zijn.! Uit! figuur! 5U5! blijkt! ook! de! vermogensbeperking.! Met! een! kleinere22! netaansluiting! zou! het! station! het! vermogen! niet! kunnen! leveren.! In! figuur! 5U5! ‘raakt’! de! vermogensvraag! het! maximale!vermogen!niet!omdat!de!vermogensvraag!afgebeeld!is!zonder!de!verliezen.! Deze!moeten!daar!nog!bij!opgeteld!worden.! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 22! Met! kleinere/grotere! netaansluiting! wordt! steeds! een! netaansluiting! bedoeld! met! kleiner/groter!maximaal!vermogen.!

49! !

! ! ! !

! Figuur!5S5.!!Herkomst!van!vermogenscapaciteit!voor!simulatie!A.!

Figuur!5U6!toont!het!Sankey!diagramma!voor!simulatie!A!(voor!de!betekenis!van!alle! letters,!zie!figuur!4U3).!Zoals!verwacht!is!de!energie!opgeslagen!in!de!energieopslag! (C),! en! de! verliezen! bij! het! opU! en! ontladen! (E)! erg! klein.! De! zelfontlading! van! de! energieopslag! (I)! is! reeds! klein! wegens! de! aard! van! technologie,! maar! de! kleine! energieopslag!verkleint!deze!waarden!nog!verder.!De!kwantitatieve!waarden!in!deze! figuur! zijn! van! minder! belang! dan! wel! de! vergelijking! met! de! simulatie! B! en! C.! Daarom!wordt!hier!niet!verder!ingegaan!op!de!overige!energieaandelen,!maar!wordt! de! vergelijking! wel! gemaakt! onder! paragrafen! 5.1.2! en! 5.1.3.! Daar! komt! het! belang! van!deze!figuren!tot!uiting.! !

! ! Figuur!5S6.!!Sankey!diagramma!voor!de!energie!in!simulatie!A.!

50! !

! ! !

5.1.2!Simulatie!B.!Middelgrote!netaansluiting!en!energieopslag! Een!tweede!interval!begint!hier!bij!205!kWh!en!eindigt!rond!de!800!kWh!(figuur!5U1! tot!5U3).!De!overgang!van!deel!1!naar!deel!2!is!meer!uitgesproken!dan!de!overgang! van! deel! 2! naar! deel! 3.! De! beperkende! factor! bij! de! eerste! overgang! verandert! namelijk! van! een! vermogensbeperking! naar! een! energiebeperking! (bepaald! door! vergelijking!4).!Figuur!5U7!is!analoog!aan!figuur!5U4!en!toont!deze!beperking!aan.!De! nacht! van! maandag! op! dinsdag! bereikt! de! energieopslag! net! niet! zijn! minimale! laadtoestand! (20!%! SOCNOM).! Een! kleinere! netaansluiting! zou! als! gevolg! hebben! dat! de! opslag! volledig! leeg! zou! lopen.! Rekening! houdend! met! het! aansturingalgoritme! van!het!station!zou!dit!betekenen!dat!de!energievraag!niet!volledig!beantwoord!zou! worden.! Nochtans! zijn! er! ook! nog! lange! perioden! te! bemerken! waarbij! de! energieopslag! volledig! opgeladen! is.! Het! belang! hiervan! legt! de! volgende! paragraaf! 5.1.3!uit.! Het! netvermogen! ziet! er! (voor! dezelfde! set! aan! wagens)! verschillende! uit! in! vergelijking! met! simulatie! A.! De! vermogensaansluiting! voert! langer! het! maximale! vermogen.! Dit! verklaart! de! hogere! netefficiëntie.! Tijdens! de! middag! zijn! nog! negatieve!vermogens!te!zien!(wegens!de!PVUinstallatie).!! !

! Figuur!5S7.!!SOC!en!netvermogen!voor!simulatie!B.!

Uit! figuur! 5U8! is! duidelijk! dat! vermogen! geen! beperking! meer! vormt.! Hoewel! het! maximale! netvermogen! hier! sterk! verlaagd! is,! biedt! de! energieopslag! ruim! voldoende! vermogenscapaciteit! om! het! gevraagde! vermogen! te! voorzien.! Zoals! bij! eerdere!simulaties!speelt!de!PVUinstallatie!een!kleine!rol.! Het! SankeyUdiagramma! is! analoog! aan! die! van! simulatie! A! (figuur! 5U6)! en! is! afgebeeld!in!figuur!5U9.!De!energie!opgeslagen!in!de!batterijen!van!de!wagens!(F)!en! de!verliezen!bij!het!snelladen!(G)!zijn!gelijk!aan!die!van!simulatie!A.!Ook!de!instroom! van! PVUenergie! (A)! en! de! verliezen! in! de! invertor! (H)! zijn! dezelfde.! Dit! volgt! logischerwijze! uit! het! feit! dat! de! vraag! van! de! wagens! en! vermogenstromen! van! de! 51! !

! ! PVUinstallatie! gelijk! zijn! (voor! de! drie! simulaties! is! dezelfde! PVUinput! en! vermogensvraag! gekozen).! De! energie! die,! op! momenten! van! volledig! opgeladen! energieopslag,!van!de!PVUinstallatie!naar!het!net!terug!stroomt!(D)!is!kleiner.!Dit!is! zo! omdat! een! groter! deel! van! die! energie! in! de! energieopslag! gevoerd! is.! De! zelfontladingsverliezen!zijn!in!geval!B!groter,!maar!blijven!relatief!gezien!zeer!klein.! !

! Figuur!5S8.!!Herkomst!van!vermogenscapaciteit!voor!simulatie!B.!

De! oorzaak! voor! een! lagere! totale! efficiëntie! van! het! station! in! simulatie! B! zijn! de! verliezen! bij! het! opU! en! ontladen! van! de! energieopslag! (E).! Een! vergelijking! van! de! SOC! van! de! beide! simulaties! (figuren! 5U4! en! 5U7)! toont! dat! de! energieopslag! in! simulatie! B! veel! intensiever! benut! wordt.! Deze! benutting! gaat! gepaard! met! een! demping! van! de! vermogenstromen,! maar! ook! met! hogere! verliezen.! Hieruit! bestaat! de! tradeUoff:! de! afweging! tussen! een! grote! netaansluiting! met! grote! volatiliteit! in! vereist!vermogen!enerzijds,!en!een!grote!energieopslag!anderzijds.! !

! Figuur!5S9.!!SankeySdiagramma!voor!de!energie!in!simulatie!B.!

52! !

! !

5.1.3!Simulatie!C.!Kleine!netaansluiting,!grote!energieopslag! Simulatie! C! heeft! als! inputvariabelen! een! kleine! netaansluiting! en! grote! energieopslag,! maar! voorziet! nog! steeds! aan! 100!%! van! de! vermogensvraag.! Deze! simulatie!is!gekozen!uit!het!derde!deel!van!figuren!5U1,!5U2!en!5U3!en!zijn!kenmerken! zijn!een!zeer!hoge!netefficiëntie!(88,7!%)!en!een!lagere!totale!efficiëntie!(73,6!%).!De! reden! voor! de! (kleine)! discontinuïteit! tussen! delen! 2! en! 3! is! dat! eens! een! bepaalde! grootte! van! energieopslag! overschreden! wordt! (hier! is! dit! 808!kWh),! de! energieopslag!tijdens!de!week!geen!perioden!meer!vertoont!van!100!%!SOC!(figuur! 5U10).! De! energieopslag! ‘zweeft’! als! het! ware! tussen! zijn! minimale! en! maximale! waarde,!in!plaats!van!afwisselende!perioden!te!kennen!van!maximale!SOC!en!(bijna)! minimale! SOC.! Volledig! leeg! mag! de! energieopslag! nooit! zijn! aangezien! dan! de! vermogensvraag! niet! beantwoord! wordt.! Deze! overgang! gebeurt! discontinu.! Op! sommige!momenten!zijn!echter!nog!perioden!te!bemerken!met!maximaal!opgeladen! energieopslag.!! Een!andere!manier!om!dit!te!bekijken!is!als!volgt.!In!heel!deel!2!van!de!grafiek!heeft! het!nut!om!de!energieopslag!te!vergroten,!aangezien!zo!het!netvermogen!efficiënter! aangewend!kan!worden!en!ook!kleiner!mag!worden.!Meer!vermogen!uit!het!net!(en! PVUinstallatie)! kan! opgeslagen! worden,! dus! een! kleinere! dimensionering! van! de! netaansluiting!is!mogelijk.!Eens!de!knik!tussen!deel!2!en!deel!3!voorbij,!is!de!tradeU off!veel!minder!gunstig:!een!kleinere!netaansluiting!vraagt!nu!om!een!steeds!grotere! energieopslag.! Deze! trend! blijft! echter! niet! duren.! Eens! de! netefficiëntie! 100!%! bereikt,! zal! de! vereiste! netaansluiting! stijgen! in! functie! van! de! energieopslag.! Dit! punt!wordt!nog!niet!bereikt!op!de!figuren!figuren!5U1,!5U2!en!5U3.! De! beperkende! factor! voor! het! maximale! netvermogen! is! zoals! voor! simulatie! B! de! energie.! Zoals! figuur! 5U10! toont,! voert! het! net! nu! over! periodes! van! verschillende! dagen! (donderdag! op! vrijdag)! het! maximale! vermogen.! Dit! verklaart! de! hoge! netefficiëntie.!! ! !

! Figuur!5S10.!!SOC!en!netvermogen!voor!simulatie!C.!

53! !

! ! Wat!vermogen!betreft!loopt!de!trend!gezet!door!simulatie!B!voort.!Het!net!speelt!een! nog! kleinere! rol,! evenals! de! PVUinstallatie.! De! energieopslag! kent! echter! een! erg! grote!vermogenscapaciteit!(die!lineair!vergroot!met!de!energieUinhoud),!en!voorziet! ruim!de!vermogensvraag!(figuur!5U11).!

! Figuur!5S11.!!Herkomst!van!vermogenscapaciteit!voor!simulatie!C.!

Ook! de! energiestroom! (afgebeeld! in! de! vorm! van! een! SankeyUdiagramma! in! figuur! 5U12)!zet!de!trend!van!simulatie!B!voort.!De!energiestroom!van!de!PVUinstallatie! in! het! station! (A),! de! verliezen! in! de! PVUinvertor! (H),! de! energie! opgeslagen! in! de! wagens! (F)! en! de! verliezen! bij! het! snelladen! (G)! zijn! weer! gelijk! voor! dezelfde! redenen! vermeld! bij! de! bespreking! van! figuur! 5U9.! De! verliezen! bij! het! opU! en! ontladen! van! de! energieopslag! (E)! zijn! verantwoordelijk! voor! de! nog! lagere! totale! efficiëntie!van!het!station.!Nog!meer!energie!van!de!PVUinstallatie!is!opgeslagen!in!de! energieopslag,!wat!een!kleinere!energiestroom!van!de!PVUinstallatie!naar!het!net!(D)! verklaart.! De! zelfontladingsverliezen! (I)! zijn! recht! evenredig! met! de! grootte! van! energieopslag!en!zijn!dus!ook!groter.!Relatief!gezien!blijven!ze!erg!klein.!

! Figuur!5S12.!!SankeySdiagramma!voor!de!energie!in!simulatie!C.!

54! !

! !

5.2!Aandeel!van!de!PVUinstallatie! In! deze! paragraaf! wordt! onderzocht! wat! de! invloed! is! van! een! grotere! of! kleinere! oppervlakte! voor! de! zonnecellen.! Hiervoor! dient! een! nieuwe! simulatie! waarin! een! piekvermogen! van! 600!kW! (dit! is! 10! maal! het! originele! vermogen)! gekozen! is! voor! de!PVUinstallatie.!Met!hetzelfde!type!zonnecellen!als!besproken!in!paragraaf!3.4!komt! dit!overeen!met!een!oppervlakte!van!4000!m².!Dit!is!niet!meer!te!installeren!op!het! dak!van!het!laadstation.!Het!is!enkel!de!bedoeling!om!de!invloed!van!een!PVUsysteem! te! onderzoeken,! niet! om! de! mogelijkheid! te! bestuderen! om! de! PVUinstallatie! praktisch!te!integreren!bij!het!station.!De!grootte!van!energieopslag!is!gelijkgesteld! aan!die!van!simulatie!B!uit!paragraaf!5.1.2!om!een!vergelijkingspunt!te!hebben.!Deze! is! dus! gelijk! aan! 500!kWh.! Het! maximale! netvermogen! is! gelijkgesteld! aan! het! vermogen!nodig!om!alle!wagens!van!energie!en!vermogen!te!voorzien.!! Tabel!5U2!vat!de!gegevens!van!de!simulatie!samen.!! Weer!zijn!de!evolutie!van!de!SOC!(figuur!5U13!bovenaan)!en!het!netvermogen!(figuur! 5U13! onderaan)! weergegeven! voor! een! tijdsvenster! van! een! week.! Wat! de! SOC! betreft,! valt! op! dat! tijdens! de! uren! met! een! hoog! aandeel! aan! PVUvermogen,! de! energieopslag!volledig!opgeladen!is.!De!energieopslag!is!te!klein!om!al!die!energie!op! te!slagen.!Het!surplus!aan!vermogen!wordt!naar!het!net!gevoerd,!maar!daar!staat!een! begrenzing! op,! bepaalde! door! de! netaansluiting! (hier! 73!kW).! Er! zijn! dus! meerdere! lange! perioden! waar! er! een! surplus! is! aan! PVUvermogen,! dat! nergens! heen! kan.! Indien! hier! geen! oplossing! voor! voorzien! is,! moet! de! vermogensoutput! van! de! PV! beperkt! worden.! De! beperkte! grootte! van! energieopslag! en! maximaal! netvermogen! zijn!dus!de!redenen!voor!de!lage!totale!efficiëntie!van!het!station!(58,4!%).! ! Piekvermogen!PVUinstallatie! Maximaal!netvermogen!

600! kW! 73! kW!

Grootte!energieopslag!

500! kWh!

Efficiëntie!netaansluiting!

78,6! %!

Totale!efficiëntie!station!

58,4! %!

Capaciteitsfactor!station!zonder!PV23!

174,8! %!

! Tabel!5S2.!!Parameters!voor!de!simulatie!met!600!kW!aan!PVSvermogen.!

Het!netvermogen!wordt!getypeerd!door!grote!delen!van!maximaal!vermogen,!zowel! positief!(vermogen!uit!het!net!om!de!wagens!op!te!laden!en!de! energieopslag!op!te! laden)!als!negatief!(vermogen!naar!het!net!toe!van!de!PVUinstallatie).!Dit!verklaart!de! hoge!waarde!voor!de!netefficiëntie!(78,6!%).! ! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 23! Dit! is! de! efficiëntie! waarbij! de! instroom! aan! energie! van! de! PVUinstallatie! als! ‘gratis’! aanzien! wordt,! en! dus! niet! meegerekend! wordt.! Hierdoor! kan! de! efficiëntie! wel! hoger! dan! 100!%!zijn.!

55! !

! !

! Figuur!5S13.!!SOC!en!netvermogen!voor!simulatie!met!600!kW!aan!PVSvermogen.!

Uit! het! SankeyUdiagramma! (figuur! 5U14)! is! een! nieuwe! component! zichtbaar:! de! zonneUenergie!die!niet!gebruikt!wordt,!noch!in!de!batterij!opgeslagen,!noch!naar!de! wagens,! noch! terug! naar! het! net! (J).! Deze! heeft! ongeveer! dezelfde! grootte! als! de! totale! energie! die! in! de! wagens! opgeslagen! wordt! en! betekent! dus! een! aanzienlijk! verlies.! Anderzijds! wordt! een! groot! deel! van! de! PVUenergie! wel! in! het! net! teruggevoerd! (D).! De! verliezen! in! de! PVUinvertor! zijn! logischerwijze! ongeveer! 10! maal! groter,! vergeleken! met! simulatie! B,! die! een! 10! maal! kleiner! PVUpiekvermogen! bezit.!Aan!de!kant!van!energieUinput!valt!nu!op!dat!het!PVUaandeel!(A)!groter!is!dan! het!netvermogen!(B).!’s!Nachts!is!er!geen!PVUvermogen,!maar!het!PVUpiekvermogen! is! meer! dan! acht! maal! groter! dan! het! maximale! netvermogen,! en! compenseert! dat! die!beperking!ruim.! !

! Figuur!5S14.!!SankeySdiagramma!van!de!energie!voor!de!simulatie!met!600!kW!aan!PVS vermogen.!

56! !

! ! Figuur! 5U15! is! analoog! aan! figuur! 5U3,! maar! toont! nu! de! efficiëntie! voor! drie! verschillende! piekvermogens! aan! PVUinstallatie! (de! combinatie! van! maximaal! netvermogen! en! energieopslag! voor! de! hierboven! besproken! simulatie! is! aangeduid).! De! drie! gekozen! piekvermogens! zijn! 0!kW! (oftewel! geen! PVUsysteem),! 60!kW! (oftewel! de! originele! configuratie)! en! 600!kW! (oftewel! de! bestudeerde! simulatie).! Bij! kleine! energieopslag! is! de! efficiëntie! hoger! dan! bij! een! configuratie! met! een! lager! PVUpiekvermogen.! Dit! is! zo! dankzij! het! hoge! aandeel! aan! zonneU energie! dat! in! het! net! gevoerd! wordt.! Op! deze! momenten! (van! uitstroom! van! PVU vermogen)! werkt! het! station! als! een! kleine! zonnecentrale! en! schiet! zijn! doel! als! snellaadstation!wat!voorbij.!Bij!grotere!energieopslag!daalt!de!efficiëntie!snel.!Dit!is! te! wijten! aan! de! verkleining! aan! maximaal! netvermogen! die! samengaat! met! de! vergroting! van! de! energieopslag.! Steeds! minder! zonneUenergie! vindt! zijn! weg! naar! het! net,! wat! de! efficiëntie! doet! dalen.! Deze! trend! houdt! stand! voor! zeer! grote! energieopslag!(meer!dan!800!kWh).! !

Simulatie!

! Figuur!5S15.!!Invloed!piekvermogen!van!PVSinstallatie!op!de!totale!efficiëntie!van!het! station.!

! Figuren! 5U16! en! 5U17! tonen! de! invloed! van! PVUvermogen! verder! aan.! Figuur! 5U16! toont! voor! de! drie! verschillende! piekvermogens! aan! PVUinstallatie! de! tradeUoff! tussen!maximaal!netvermogen!en!energieopslag.!Figuur!5U17!doet!hetzelfde!voor!de! netefficiëntie.! Deze! figuren! zijn! analoog! aan! figuren! 5U1! en! 5U2! uit! paragraaf! 5.1.! Opvallend! is! dat! een! overvloed! aan! PVUvermogen! toch! geen! kleiner! maximaal! netvermogen! toelaat! (figuur! 5U16).! Enkel! met! zeer! grote! energieopslag! (groter! dan! 800! kWh)! wordt! een! station! met! kleinere! netaansluiting! mogelijk.! De! beperkende! factor! bij! deze! simulatie! is! duidelijk! de! energie.! Dit! blijkt! uit! twee! figuren:! figuur! 5U13! toont! dat! er! een! moment! is! (de! nacht! van! maandag! op! dinsdag)! dat! de! energieopslag! (bijna)! leeg! is.! Uit! figuur! 5U18! blijkt! dat! er! een! ruime! marge! bestaat! aan!vermogen.!

57! !

! !

! Figuur!5S16.!!TradeSoff!tussen!maximaal!netvermogen!en!energieopslag!voor! verschillende!piekvermogens!van!de!PVSinstallatie.!

! Figuur!5S17.!!Invloed!piekvermogen!van!PVSinstallatie!op!de!netefficiëntie.!

! Figuur!5S18.!!Herkomst!van!vermogenscapaciteit!voor!simulatie!met!600!kW!aan!PVS vermogen.!

58! !

! !

5.3!Vergelijking!met!vliegwielen!als!energieopslag! In! een! voorlopige! ontwerpfase! van! het! station! werden! vliegwielen! overwogen! als! technologiekeuze!voor!energieopslag.!Vliegwielen!slagen!energie!op!in!de!vorm!van! rotationele! kinetische! energie.! Hierbij! is! de! energieUinhoud! afhankelijk! van! de!! hoeksnelheid!van!het!vliegwiel!volgens!volgende!betrekking:! !! =

1 !!!!²! 2

Hierbij!is:! E K! de!kinetische!energie,!opgeslagen!in!het!vliegwiel! [J]! I! het!traagheidsmoment!van!de!massa!om!de!om!de!rotatieUas! [kg!m²]! ω! de!hoeksnelheid! [rad/s]! ! Het!vliegwiel!kan!wegens!technische!redenen!slechts!tot!de!helft!van!zijn!maximale! toerental! ontladen! worden.! Het! verband! tussen! energie! en! toerental! is! echter! kwadratisch,!dus!de!onderste!50!%!van!het!toerental!interval!bezit!slechts!25!%!van! de!totaal!op!te!slagen!energie.!De!zelfontladingsverliezen!van!vliegwielen!worden!zo! klein!mogelijk!gehouden!d.m.v.!luchtledige!rotorkamers!en!magnetische!lagers.!Deze! aanpassingen!maken!de!technologie!echter!duur,!en!beperkt!de!zelfontlading!(zoals! zal!blijken)!niet!voldoende!voor!onze!applicatie.!De!specificaties!van!de!vliegwielen,! die!gebruikt!zijn!in!de!simulatie,!zijn!samengevat!in!tabel!5U3.!Hierbij!is!niet!meer!per! kg!gerekend!zoals!voor!de!batterijen,!maar!per!vliegwiel.! ! Producent!

Beacon!Power!

Type!

Smart!Energy!25!

Energiedichtheid!

25!kWh/vliegwiel!

Vermogensdichtheid!

100!kW/vliegwiel!

Zelfontlading!

400!W/vliegwiel24!

Laad!en!ontlaad!efficiëntie!

85!%!

Bruikbaar!interval!toerental!!

8!000!–!16!000!rpm!

Tabel!5S3.!!Specificaties!van!het!vliegwiel,!gebruikt!voor!het!model.!

De! voordelen! van! vliegwielen! t.o.v.! batterijen! zijn! het! brede! temperatuursinterval! waaronder! vliegwielen! kunnen! opereren,! hun! onderhoudsvriendelijkheid,! en! het! ontbreken! van! mogelijke! chemische! problemen.! Ook! een! erg! lange! levensduur! en! kleine! belasting! op! het! milieu! werkt! in! hun! voordeel.! De! hoge! zelfontladingsgraad! (~20!%! per! uur)! van! vliegwielen! blijkt! echter! een! onoverkomelijk! probleem.! Hoe! groter! de! energieopslag! (met! vliegwielen),! hoe! meer! verliezen! in! zelfontlading.! Dit! doet! de! totale! efficiëntie! van! het! station! drastisch! dalen! (figuur! 5U19).! Voor! grote! energieopslag! vertoont! een! station! met! vliegwielen! een! erg! lage! efficiëntie.! De! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 24! De! zelfontladingsverliezen! zijn! kwadratisch! gemodelleerd! van! 0!W! bij! 0!rpm,! tot! 400!W! (per!vliegwiel)!bij!maximaal!toerental,!16!000!rpm.!

59! !

! ! netefficiëntie! is! voor! vliegwielen! wel! hoger! (figuur! 5U20),! maar! dit! is! eveneens! te! wijten! aan! het! feit! dat! het! netvermogen! meer! aangewend! moet! worden! om! de! vliegwielen! opgeladen! te! houden.! Het! is! duidelijk! dat! vliegwielen! voor! deze! applicatie!niet!geschikt!zijn!voor!laadcycli!van!een!dag!of!meer.!! !

! Figuur!5S19.!!Vergelijking!van!totale!efficiëntie!van!het!station!voor!batterijen!en! vliegwielen.!

!

! Figuur!5S20.!!Vergelijking!van!netefficiëntie!in!functie!van!grootte!energieopslag!voor! batterijen!en!vliegwielen.!

Figuur! 5U21! toont! de! tradeUoff! tussen! netaansluiting! en! energieopslag! voor! een! station! dat! de! laadvraag! 100!%! beantwoordt.! De! grafiek! is! voor! vliegwielen! eveneens! in! drie! delen! op! te! splitsen,! net! zoals! bij! batterijen.! De! ‘knikken’! in! de! grafiek! zijn! er! voor! dezelfde! redenen! aangehaald! in! paragraaf! 5.1.1! tot! 5.1.3.! Aangezien! vliegwielen! een! hogere! vermogensdichtheid! bevatten,! speelt! de! vermogensbeperking! slechts! een! rol! tot! een! kleinere! energieopslag.! De! 60! !

! ! richtingscoëfficiënt! van! het! eerste! deel! van! de! grafiek! is! een! aanduiding! voor! de! vermogensdichtheid! van! de! opslagtechnologie.! Deze! is! dus! groter! voor! vliegwielen.! Tot! 180!kWh! aan! energieopslag! is! het! mogelijk! om! het! station! uit! te! baten! met! een! kleinere!netaansluiting!in!vergelijking!met!batterijen.!De!netaansluiting!wordt!echter! intensiever!benut,!en!de!totale!efficiëntie!is!lager.!! !

! Figuur!5S21.!!Vergelijking!van!tradeSoff!tussen!grootte!energieopslag!en!netvermogen! voor!batterijen!en!vliegwielen.!!

! Een!ander!verschil!met!batterijen,!is!dat!de!zelfontladingsverliezen!kwadratisch!zijn! in!functie!van!de!opgeslagen!energie.!Vanaf!ongeveer!260!kWh!aan!energieopslag!is! de!netefficiëntie!100!%!en!wordt!het!maximale!netvermogen!constant!aangesproken.! Bij!meer!energieopslag!is!het!toch!mogelijk!een!kleinere!netaansluiting!te!gebruiken.! Dit! is! zo! omdat! de! maximale! laadtoestand25,! die! de! vliegwielen! bereiken,! kleiner! wordt.! Figuur! 5U22! toont! de! evolutie! van! de! laadtoestand! van! de! vliegwielen! voor! twee! configuraties.! De! eerste,! in! volle! lijn! heeft! een! energieopslag! van! 300!kWh! en! een!netaansluiting!van!150!kW.!De!tweede,!in!stippellijn,!bezit!een!energieopslag!van! 1000!kWh! en! een! maximaal! netvermogen! van! 124!kW.! De! werkingspunten! kunnen! gevonden! worden! op! figuren! 5U19! tot! 5U21.! In! beide! gevallen! wordt! het! maximale! netvermogen!100!%!van!de!tijd!aangesproken.!Een!groot!verschil!in!gebruik!van!de! energieopslag! is! echter! duidelijk.! Bij! de! eerste! configuratie! bereikt! de! laadtoestand! 90!%.! Hier! worden! een! aantal! vliegwielen! bijna! aan! hun! maximaal! toerental! aangedreven,! waarbij! de! zelfontladingsverliezen! erg! hoog! zijn.! De! tweede! configuratie! maakt! gebruik! van! meer! dan! 3! maal! zo! veel! vliegwielen! (het! aantal! vliegwielen!is!lineair!proportioneel!tot!de!grootte!van!energieopslag).!Deze!bereiken! echter! een! lagere! laadtoestand! (toerental).! Dat! de! tweede! configuratie! gebruik! kan! maken! van! een! kleinere! netaansluiting! (figuur! 5U21)! berust! dus! in! het! feit! dat! de! zelfontladingsverliezen! in! configuratie! 1! veel! groter! zijn! (kwadraat! van! de! som! is! groter!dan!de!som!van!de!kwadraten).! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 25!De!term!State!of!Charge!(SOC)!wordt!hier!niet!gebruikt,!om!het!onderscheid!te!maken!met! batterijen.!

61! !

! !

! Figuur!5S22.!!Evolutie!van!de!laadtoestand!van!de!vliegwielen!over!een!week!tijd.!

5.4!Besluit! In!dit!hoofdstuk!is!onderzocht!wat!het!verband!is!tussen!het!maximale!vermogen!van! de! netaansluiting! en! de! grootte! van! de! energieopslag.! Hierbij! is! vooropgesteld! dat! elke! combinatie! van! deze! twee! parameters! volledige! dekkingsgraad! van! de! wagens! moet! garanderen.! Deze! beperking! blijkt! uiteen! te! vallen! in! twee! beperkingen.! Enerzijds! moet! steeds! voldoende! vermogenscapaciteit! voorhanden! zijn.! Anderzijds! is!voldoende!energie!nodig.! Het!resultaat!is!een!driedelige!grafiek,!zie!figuren!5U1!tot!5U3.!Een!eerste!deel!zijn!de! configuraties!met!kleine!energieopslag!en!een!grote!netaansluiting.!Een!tweede!deel! die!met!een!middelgrote!energieopslag!en!netaansluiting.!Een!derde!deel!die!met!een! kleine! netaansluiting! en! grote! energieopslag.! Voor! elk! van! de! delen! is! een! voorbeeldsimulatie! uitgevoerd! om! dieper! in! te! gaan! op! ! het! gedrag! van! het! station! onder!verschillende!combinaties!van!netaansluiting!en!energieopslag.! Het! vermogen! van! de! netaansluiting! is! in! functie! van! de! energieopslag! monotoon! dalend.!Tijdens!het!eerste!deel!van!de!grafiek!is!vermogen!de!beperkende!factor.!De! energieopslag! (en! de! PVUinstallatie)! levert! weinig! vermogenscapaciteit! en! het! net! moet!aanvullen.!De!totale!efficiëntie!van!het!station!is!hoog!aangezien!weinig!energie! verloren! gaat! in! het! opU! en! ontladen! van! de! batterij.! De! mate! waarin! de! netaansluiting! benut! wordt! (netefficiëntie)! is! echter! laag.! Bijna! de! volledige! vermogensvraag! van! de! wagens! plus! verliezen! worden! rechtstreeks! gedragen! door! het!net.! Een! simulatie! uit! het! tweede! deel! van! de! grafiek! toont! aan! dat! voldoende! energieopslag!het!net!ontlast.!Een!gevoelig!kleinere!netaansluiting!is!vereist.!Dit!keer! vormt! de! energie! de! beperking,! niet! het! vermogen.! Het! vermogen! uit! de! energieopslag!compenseert!de!verkleining!in!netvermogen!ruim.!Meer!energie!uit!de! PVUinstallatie! kan! dit! keer! opgeslagen! worden! in! de! energieopslag.! De! totale! netefficiëntie! daalt.! Dit! is! te! wijten! aan! de! hogere! verliezen! bij! het! opU! en! ontladen! van! de! energieopslag.! De! netefficiëntie! is! echter! gevoelig! hoger:! de! energieopslag! vangt! de! fluctuaties! in! vermogensvraag! en! –aanbod! op! en! zorgt! ervoor! dat! het! net! langer!aan!maximaal!vermogen!uitgebaat!kan!worden.! En! derde! simulatie! met! nog! grotere! energieopslag! vertoont! een! verderzetting! van! alle! trends! uit! simulatie! B.! Een! verschil! is! wel! dat! nu! de! energieopslag! geen! afwisselende!perioden!meer!kent!tussen!gebruik!en!langer!perioden!van!100!%!SOC.! Nu!‘zweeft’!de!SOC!meer!tussen!maximale!en!minimale!laadtoestand.!Dit!is!een!trend! 62! !

! ! die!voor!nog!grotere!energieopslag!verder!gezet!wordt,!totdat!de!energieopslag!nooit! meer!volledig!opgeladen!of!ontladen!is.! Ook!is!de!invloed!van!een!grote!PVUinstallatie!op!het!station!onderzocht!aan!de!hand! van!een!simulatie!met!600!kW!aan!PVUpiekvermogen.!Opvallend!is!dat!hoewel!er!op! sommige!momenten!een!groot!overschot!is!aan!energie,!er!geen!manier!bestaat!(met! de!huidige!opstelling),!om!die!energie!voor!de!wagens!op!te!slaan.!Het!netvermogen! moet! bijgevolg! ongeveer! even! groot! gedimensioneerd! worden! als! bij! een! configuratie! met! een! veel! kleinere! PVUinstallatie.! De! netefficiëntie! is! hoog,! maar! de! totale!efficiëntie!daalt!sterk.!Een!ander!aansturingalgoritme!van!het!station,!waarbij! de! grote! PVUinstroom! aan! energie! in! rekening! gebracht! wordt,! zou! hier! iets! aan! kunnen!veranderen.! Er!is!aangetoond!dat!vliegwielen!een!te!hoge!zelfontlading!vertonen!om!gebruikt!te! worden! in! een! configuratie! met! grote! energieopslag.! Wel! valt! de! vermogensbeperking,!die!bij!batterijen!bemerkt!kan!worden!weg.!Dit!heeft!als!gevolg! dat! voor! kleine! energieopslag,! het! station! de! laadvraag! kan! opvangen! met! een! kleinere! netaansluiting.! In! de! zoektocht! naar! de! meest! geschikte! technologie! voor! energieopslag! zal! een! afweging! gemaakt! moeten! worden! tussen! kost! voor! de! verliezen,!netaansluiting!en!energieopslag.!

63! !

! !

Hoofdstuk!6. Station!met!beperkte! dekkingsgraad.! Tot! nu! toe! was! het! steeds! de! bedoeling! het! station! zo! te! dimensioneren,! dat! het! 100!%! van! de! laadbehoefte,! zowel! op! vlak! van! energie! als! van! vermogen,! kan! dekken.! In! paragraaf! 2.3.4! is! echter! aangetoond! dat! voor! het! huidige! model! de! bezettingsgraad!erg!laag!is.!De!meeste!staanplaatsen!staan!het!grootste!deel!van!de! tijd! leeg.! Dit! blijkt! uit! figuur! 6U1.! Deze! toont! de! tijd! dat! een! aantal! laadplaatsen! tegelijkertijd!gebruikt!worden.!Zo!zijn!bij!wijze!van!voorbeeld!niet!langer!dan!25!min! zes! (of! meer)! laadplaatsen! tegelijkertijd! in! gebruik.! De! vier! laatste! laadplaatsen! worden! nauwelijks! gebruikt! en! vormen! een! grote! extra! investering! (vooral! op! vlak! van! vermogencapaciteit)! voor! een! kleine! bijdrage! in! klantvriendelijkheid.! In! dit! hoofdstuk!wordt!onderzocht!wat!voor!impact!een!beperking!in!dekkingsgraad!heeft! op!het!gedrag!en!vereiste!dimensionering!van!het!station.!Een!belangrijke!opmerking! hier! is! dat! indien! in! dit! hoofdstuk! over! dekkingsgraad! wordt! gesproken,! dit! steeds! gaat!over!de!dekkingsgraad!voor!de!mensen!die!nood!hebben!aan!snelladen!om!aan! hun!mobiliteitsvraag!te!voldoen.!Deze!waarde!verschilt!van!de!totale!dekkingsgraad! (van! alle! elektrische! wagens! samen),! die! vervuld! wordt! door! het! station! enerzijds,! maar!vooral!door!thuis!te!laden!(zie!Tabel!2U4).!

! Figuur!6S1.!!Plaatsbezetting!over!een!week!tijd.!

64! !

! !

6.1!Inleiding! Indien!het!station!minder!staanplaatsen!bezit!dan!nodig,!zal!op!een!gegeven!moment! een! wagen! willen! laden! zonder! dat! daarvoor! een! plaats! beschikbaar! is.! Op! dat! moment! staat! deze! persoon! voor! een! keuze:! doorrijden! en! naar! een! alternatieve! laadmogelijkheid! zoeken,! of! wachten! dat! er! een! plaats! vrijkomt.! Aangezien! deze! keuze! niet! gekend! is,! zijn! twee! scenario’s! opgesteld.! Een! eerste! scenario! is! zo! gemodelleerd,! dat! iedereen! die! wil! laden! op! momenten! van! volle! bezetting,! doorrijdt.! Een! tweede! scenario! houdt! in! dat! indien! de! wachttijd! niet! te! lang! is,! de! persoon!wacht!tot!een!staanplaats!vrijkomt.!Het!eerste!scenario!wordt!bestudeerd!in! paragraaf!6.2,!het!tweede!in!paragraaf!6.3.!

6.2!Scenario!1:!wagens!rijden!door! De! veronderstelling! achter! dit! scenario! is! dat! de! bestuurders! niet! de! tijd! hebben! of! willen!wachten!tot!een!staanplaats!vrijkomt.!Figuur!6U2!toont!de!bezettingsgraad!en! dekkingsgraad! uitgemiddeld! over! 10! sets.! Indien! slechts! vier! staanplaatsen! behouden! blijven,! is! nog! steeds! meer! dan! 94!%! van! laadvraag! voorzien.! De! dekkingsgraad! is! berekend! als! de! verhouding! van! het! aantal! wagens! die! geladen! worden! op! het! aantal! wagens! die! willen! laden.! De! dekkingsgraad! van! de! energie! is! daarbij! niet! afgebeeld,! maar! levert! gelijkaardige! resultaten.! Voor! 6,! 7! of! 8! laadplaatsen! is! de! dekkingsgraad! zo! goed! als! 100!%.! Het! aantal! laadplaatsen! wordt! ook! efficiënter! gebruikt! naarmate! er! minder! zijn.! De! bezettingsgraad,! die! dit! aantoont,! is! berekend! als! de! verhouding! van! het! aantal! laadplaatsen! die! gemiddeld! ingenomen! zijn! op! het! totale! aantal! laadplaatsen.!Naarmate! het! aantal! laadplaatsen! vermindert,! worden! zowel! teller! en! noemer! van! die! verhouding! kleiner,! maar! de! verkleining!van!de!noemer!overweegt.! !

! Figuur!6S2.!!BezettingsS!en!dekkingsgraad!per!aantal!laadplaatsen.!

65! !

! ! Voor!een!set!van!wagens!is!het!verband!tussen!vereiste!grootte!van!netaansluiting!en! energieopslag!afgebeeld!onder!figuur!6U3.!Indien!het!aantal!laadplaatsen!verminderd! wordt! tot! drie,! is! 88!%! van! de! laadvraag! gedekt,! maar! kan! de! netaansluiting! voor! eenzelfde!grootte!van!energieopslag!drastisch!verkleind!worden.!Bij!de!configuratie! met! slechts! 1! laadplaats,! evolueert! de! grafiek! voor! grote! energieopslag! bijna! naar! een!evenwijdige!met!de!xUas!bij!een!waarde!rond!de!10!kW.!! !

! Figuur!6S3.!!TradeSoff!tussen!netaansluiting!en!energieopslag!voor!verschillend!aantal! laadplaatsen.!

Dit! vermogen! komt! overeen! met! het! constante! vermogen! dat! het! net! moet! leveren! om!samen!met!het!vermogen!van!de!PVUinstallatie,!verliezen!en!vermogensvraag!te! compenseren.!Voor!meer!laadplaatsen!ligt!deze!evenwichtswaarde!hoger,!aangezien! de!hogere!vermogens!meer!verliezen!als!gevolg!hebben.!De!totale!efficiëntie!van!het! station! vertoont! geen! noemenswaardige! afwijking! van! de! trend! afgebeeld! in! figuur! 5U3,!en!is!hier!dus!niet!opnieuw!afgebeeld.! De! vermogensbeperking! blijft! wel! parten! spelen,! zelfs! voor! slechts! 1! laadplaats.! De! twee! knikken! in! de! grafieken! blijven! zichtbaar,! hoewel! ze! opgeschoven! zijn.! Figuur! 6U4!toont!de!netefficiëntie!voor!de!verschillende!aantal!laatplaatsen.!De!grafiek!voor! 1! laadplaats! valt! op! door! een! netefficiëntie! die! snel! verhoogt.! Het! is! namelijk! de! verhouding! tussen! energieopslag! en! piekvermogen! (van! de! netaansluiting! of! vraag! van! wagens),! dat! bepaalt! hoe! snel! de! energieopslag! respectievelijk! oplaadt! of! ontlaadt.! Zolang! de! energieopslag! niet! aan! 100!%! zit,! wordt! de! netaansluiting! aan! maximaal! vermogen! benut.! Het! beperkte! piekvermogen! van! de! configuratie! met! slechts!1!laadplaats!zorgt!ervoor!dat!de!energieopslag!vaak!benut!wordt,!en!dus!niet! lange!perioden!volledig!opgeladen!is.!De!hoge!netefficiëntie!is!hier!een!direct!gevolg! van.! !

66! !

! !

! Figuur!6S4.!!Netefficiëntie!i.f.v.!energieopslag!voor!verschillend!aantal!laadplaatsen.!

6.3!Scenario!2:!wagens!wachten! Voor! dit! scenario! worden! twee! nieuwe! veronderstellingen! geïntroduceerd.! Ten! eerste!dat!de!wachttijd!tot!een!nieuwe!laadplaats!vrijkomt!gekend!is.!Dit!is!mogelijk! indien!mensen!op!voorhand!moeten!ingeven!hoe!lang!ze!maximaal!zullen!laden.!Hoe! lang! mensen! willen! wachten! voor! ze! kunnen! laden! kan! niet! voorspeld! worden.! Daarom!worden!de!resultaten!hieronder!voorgesteld!voor!verschillende!wachttijden.! Hierbij!komt!de!tweede!veronderstelling!aan!te!pas:!indien!gemodelleerd!wordt!dat! mensen! bereid! zijn! een! tijd! t! te! wachten,! zullen! ze! steeds! verder! rijden! indien! de! wachttijd!langer!is!dan!t,!en!blijven!wachten!indien!de!tijd!korter!is!dan!t.! In!de!realiteit!zal!de!tijd!die!mensen!bereid!zijn!te!wachten!afhankelijk!zijn!van!een! tal! van! factoren! die! hier! niet! bekend! zijn.! Figuur! 6U5! toont! de! dekkingsgraad! in! functie! van! het! aantal! laadplaatsen! en! tijd! die! mensen! bereid! zijn! te! wachten.! De! trend! is! duidelijk:! de! dekkingsgraad! verhoogt! monotoon! in! functie! van! de! tijd! die! mensen! bereid! zijn! te! wachten.! Een! tweede! laadplaats! voorzien! is! een! effectievere! methode! om! de! dekkingsgraad! te! verhogen! dan! de! mensen! te! vragen! om! 15!min! te! wachten.! Dit! gaat! niet! meer! op! indien! meer! laadplaatsen! voorhanden! zijn.! Indien! mensen!bij!een!station!met!drie!laadplaatsen!bereid!zijn!om!10!min!te!wachten,!is!er! geen! nood! meer! aan! een! extra! laadplaats! om! toch! dezelfde! dekkingsgraad! te! voorzien.!De!figuur!loopt!maar!tot!vijf!laadplaatsen,!aangezien!alle!curven!voor!meer! dan!vijf!laadplaatsen!een!dekkingsgraad!van!bijna!100!%!vertonen.!

67! !

! !

! Figuur!6S5.!!Dekkingsgraad!i.f.v.!aantal!laadplaatsen!en!wachttijd.!

Tabel!6U1!toont!de!gemiddelde!wachttijd!per!aantal!laadplaatsen!(1,!3!en!5!plaatsen)! en!in!functie!van!de!tijd!die!mensen!bereid!zijn!te!wachten!om!op!te!laden!(5,!10!en! 15! minuten).! De! waarden! die! zijn! afgebeeld! zijn! de! gemiddelde! wachttijden! van! de! mensen!die!degelijk!moeten!laden,!dus!hierbij!zijn!de!laders!die!niet!moeten!wachten! (wachttijd! =! 0!minuten)! niet! meegerekend.! Ter! vergelijking! zijn! tussen! haakjes! de! waarden! meegegeven,! met! deze! personen! wel! meegerekend.! Deze! tijd! zal! logischerwijze! steeds! korter! zijn.! Verwonderlijk! is! misschien! dat,! voor! 5! laadplaatsen,!minder!lang!gewacht!moet!worden!indien!de!laders!bereid!zijn!langer! te!wachten.!Dit!is!echter!het!gevolg!van!een!totale!herschikking!van!het!aantal!laders! en! hun! momenten! van! laden.! Elke! nieuwe! lader! die! bijkomt! wegens! een! hogere! bereidheid! tot! wachten,! heeft! een! gevolg! voor! alle! potentiële! laders! die! nadien! komen.!Dit!resultaat!illustreert!de!nietUlineariteit!van!de!wachttijd!i.f.v.!de!maximale! wachttijd.!! De!algemene!trend!blijft!natuurlijk!dat!hoe!meer!laadplaatsen!beschikbaar!zijn,!hoe! minder! lang! er! gewacht! moet! worden.! De! waarden! tussen! haakjes! zijn! bijgevoegd! omdat! ze! een! aanduiding! geven! van! de! dekkingsgraad.! Hoe! meer! mensen! bediend! kunnen!worden!zonder!wachttijd,!hoe!lager!de!gemiddelde!wachttijd!is.! ! Gemiddelde!! wachttijd![min]! Maximale! wachttijd![min]!

Aantal!laadplaatsen! 1!

3!

5!

5!

3,4!(0,8)!

2,7!(0,3)!

2,1!(0,1)!

10!

6,1!(2,3)!

4,8!(1,1)!

4,1!(0,06)!

15!

9,4!(4,5)!

7,1!(1,8)!

5,1!(0,07)!

Tabel!6S1.!!Gemiddelde!wachttijd!per!aantal!laadplaatsen!per!en!maximale!wachttijd.!

!! ! 68! !

! ! Indien! mensen! bereid! zijn! langer! te! wachten,! heeft! dit! als! gevolg! dat! de! benodigde! energie! hoger! is.! Het! maximaal! vereist! vermogen! blijft! echter! gelijk! aan! het! aantal! laadplaatsen! vermenigvuldigd! met! het! snellaad! vermogen! (hierbij! moeten! de! verliezen! nog! wel! opgeteld! worden).! Dit! blijkt! uit! figuur! 6U6,! waar! de! tradeUoff! tussen! netaansluiting! en! energieopslag! voor! verschillende! wachttijden! is! weergegeven! (voor! 3! laadplaatsen).! De! figuur! illustreert! ook! de! verhoging! van! vereiste!energie!bij!constant!maximaal!vermogen.!Het!eerste!deel!van!de!grafieken!is! gelijk,!onafhankelijk!van!de!wachttijd:!het!maximale!vermogen!blijft!gelijk!en!neemt! lineair! af! met! grotere! energieopslag.! Eens! aan! het! deel! van! de! grafiek! aangekomen! dat! bepaald! is! door! de! energiebeperking,! is! een! verschil! voor! de! verschillende! wachttijden! duidelijk.! Hoe! langer! de! mensen! bereid! zijn! te! wachten,! hoe! groter! de! netaansluiting!zal!moeten!zijn!voor!eenzelfde!grootte!in!energieopslag.!Het!verschil! ligt! echter! voor! het! gehele! waarschijnlijk! geachte! wachttijdinterval! (0!–!15!min)! in! de!grootteorde!van!een!tiental!kW.!Voor!een!verschillend!aantal!laadplaatsen,!gelden! dezelfde!conclusies!als!bij!figuur!6U3.!! !

!

!

Figuur!6S6.!!TradeSoff!tussen!netaansluiting!en!energieopslag!voor!3!laadplaatsen!en! verschillende!maximale!wachttijden.!

6.4!Besluit! Tot!voor!dit!hoofdstuk!is!steeds!een!dekkingsgraad!van!100!%!voorzien.!Dit!betekent! dat!er!een!grote!investering!moet!gebeuren!in!vermogenU!en!plaatsvoorziening!voor! een!kleine!toename!in!service.!In!dit!hoofdstuk!is!bekeken!wat!de!impact!is!van!een! beperking!van!de!vermogen!en!plaatsvoorziening!op!de!dekkingsgraad!en!belasting! van!het!station.!Uit!simulaties!blijkt!dat!zelfs!met!minder!dan!de!helft!(nl.!4)!van!het! aantal! laadplaatsen! nodig! voor! een! dekkingsgraad! van! 100!%! (nl.! 9),! nog! steeds! voldaan! kan! zijn! aan! meer! dan! 94!%! van! de! laadvraag.! Indien! mensen! bovendien! bereid! zijn! te! wachten,! stijgt! deze! waarde! verder! naar! de! 99!%.! Het! is! dus! niet! aangewezen! om! het! station! te! dimensioneren! op! een! volledige! dekkingsgraad.! De! belasting!van!het!station!daalt!ook!duidelijk!bij!een!kleiner!aantal!laadplaatsen.! 69! !

! !

Hoofdstuk!7. Algemeen!besluit! ! Indien!ingespeeld!moet!worden!op!het!groeiend!aandeel!in!elektrische!mobiliteit,!is! hiervoor! de! nodige! infrastructuur! voor! vereist.! Elektrisch! transport! laat! zich! op! laadgedrag! kenmerken! door! de! mogelijkheid! thuis! te! laden.! Een! snellaadstation! is! voorgesteld!als!antwoord!op!de!rest!van!de!laadvraag.!! Een!model!is!opgesteld!om!de!laadvraag!aan!het!station!in!te!schatten.!Dit!gaat!er!van! uit! dat! het! rijgedrag! met! elektrische! voertuigen! niet! verandert! in! vergelijking! met! het! rijgedrag! gepaard! met! conventionele! voertuigen.! Het! model! maakt! gebruik! van! data!van!huidige!rijprofielen.!Binnen!het!model!blijkt!dat!in!het!slechtste!geval!59!%! van! de! wagens! nood! zal! hebben! aan! snelladen! om! aan! zijn! mobiliteitsvraag! te! beantwoorden.!In!het!beste!geval!is!dit!3!%.!10!%!van!de!wagens!bezit!een!te!grote! batterij! in! relatie! tot! hun! mobiliteitsvraag! en! bereiken! op! een! week! tijd! geen! SOC! onder!de!80!%.!! De!wagens!zijn!het!meest!opgeladen!om!7!u!’s!morgens!en!het!diepst!ontladen!om!19! u!’s!avonds.!Gemiddelde!is!de!verwachte!energieU!en!vermogensvraag!aan!het!station! inschat!op!respectievelijk!753!kWh!en!330!kW!per!dag!op!een!weekdag.!Tijdens!het! weekend!is!dit!minder:!252!kWh!en!178!kW.!Van!de!wagens!die!gebruik!maken!van! een! station,! doet! minder! dan! 6!%! dit! drie! maal! of! vaker! per! week.! Een! sensitiviteitsanalyse! toont! aan! dat! de! laadvraag! sterk! afhangt! van! de! mogelijkheid! tot! openbaar! laden! (d.i.! traag! laden! op! niet! residentiële! plaatsen),! de! verdere! ontwikkeling!van!batterijontwikkeling!en!de!minimale!SOC!waarde!waarmee!mensen! bereid!zijn!te!rijden!voor!te!gaan!laden.!!! Het!voorgestelde!snellaadstation!is!opgebouwd!uit!de!snelladers!zelf,!energieopslag! in!de!vorm!van!loodUzuur!batterijen,!een!aansluiting!op!het!net!en!zonnepanelen.!De! zonnepanelen! zijn! mee! gemodelleerd! om! hun! impact! te! bestuderen! op! het! gedrag! van!het!station.!Ze!leveren!een!zeer!klein!aandeel!in!de!vermogenondersteuning,!in! vergelijking!tot!de!netaansluiting!en!de!energieopslag.!Hun!energiebijdrage!is!echter! niet!verwaarloosbaar!en!bedraagt!ongeveer!14!%!van!het!totaal.!De!rest!wordt!door! het! net! geleverd.! Netaansluiting! en! energieopslag! moeten! evenwichtig! gekozen! worden!om!een!hoge!capaciteitsfactor!van!de!aansluiting!te!garanderen,!samen!met! een! hoge! energetische! efficiëntie! van! het! station.! Hun! grootte! wordt! naar! onder! beperkt!door!een!vermogensbeperking!bij!kleine!energieopslag!en!energiebeperking! bij! grotere! energieopslag.! Voor! het! aansturingalgoritme! is! voor! een! eenvoudige,! maar! robuuste! ruleUbased! implementatie! gekozen! die! geen! gebruik! maakt! van! toekomstige!waarden,!maar!online!kan!gebruikt!worden.! De! grootste! verliezen! zijn! afkomstig! van! het! opU! en! ontladen! van! de! energieopslag! (deze!zijn!sterk!afhankelijk!van!de!gekozen!grootte!van!energieopslag),!het!gebruik! 70! !

! ! van!de!snelladers!en!de!verliezen!in!de!batterijen!van!de!wagens!zelf.!Er!bestaat!een! afweging! tussen! netaansluiting! en! grootte! van! energieopslag! indien! aan! 100!%! van! de! laadvraag! beantwoord! moet! worden.! Een! configuratie! met! een! grote! netaansluiting,! maar! kleine! energieopslag! zal! een! hoge! energetische! efficiëntie! vertonen,! maar! een! lage! netefficiëntie.! Het! netvermogen! zal! een! erg! volatiel! profiel! vertonen.!Deze!verbanden!zijn!omgekeerd!ook!geldig.!Een!simulatie!met!vliegwielen! als! energieopslag! tonen! aan! dat! hun! veel! hogere! zelfontladingsverliezen! voor! een! lage! energetische! efficiëntie! van! het! station! zorgt.! Een! voordeel! ten! opzichte! van! batterijen! is! hun! hogere! vermogensdichtheid,! die! er! voor! zorgt! dat! voor! kleine! energieopslag!een!kleinere!netaansluiting!voldoet!om!aan!de!laadvraag!te!voldoen.! Indien! het! station! een! volledige! dekkingsgraad! wil! garanderen,! moet! veel! geïnvesteerd! worden! in! vermogensU! en! energievoorziening! voor! een! kleine! verhoging! in! klantvriendelijkheid.! Uit! het! model! blijkt! dat! een! verlaging! van! het! laadplaatsen! van! negen! naar! vier,! de! dekkingsgraad! doet! verlagen! van! 100!%! naar! 94!%.! Indien! de! gebruikers! bereid! zijn! gemiddeld! 5!min! te! wachten,! verhoogt! deze! laatste!waarde!tot!meer!dan!99!%.!! Het!model!wijst!uit!dat!per!1000!wagens,!een!station!met!4!laadplaatsen!voldoet!om! op!meer!dan!95!%!van!de!laadvraag26!te!voorzien.!Een!dergelijk!station!zou!dus!even! weinig!plaats!kunnen!innemen!als!een!benzinestation.!Afhankelijk!van!de!gewenste! dekkingsgraad,!bepaalt!het!aantal!te!dekken!wagens!het!aantal!nodige!stations.!Een! groot! station! is! mogelijk,! met! bv.! 8! of! 12! staanplaatsen! voor! 2000! of! 3000! wagens! respectievelijk.! Enkele! geografisch! verdeelde! stations! kunnen! interessanter! zijn! omwille! van! de! kortere! afstanden! die! wagens! moeten! afleggen! om! een! station! te! bereiken.! Zolang! niet! voor! een! station! geopteerd! wordt,! dat! minder! dan! 1000! wagens!moet!dekken,!blijft!het!model!geldig.!Het!model!is!echter!wel!naar!boven!toe! uitbreidbaar.! Voor!de!feitelijke!dimensionering!van!het!station,!kunnen!op!basis!van!de!resultaten! enkele!algemene!aanbevelingen!geformuleerd!worden.! −

Indien! het! aantal! staanplaatsen! beperkt! blijft! en! een! stevige! netaansluiting! voorhanden! is! voor! een! acceptabele! kost,! kan! het! overwogen! worden! om! geen! energieopslag! te! voorzien.! Zo! kan! de! kost! van! de! energieopslag! vermeden! worden.! Een! PVUinstallatie,! zonder! energieopslag! heeft! in! dit! geval! nauwelijks! zin.! Het! piekaanbod! in! vermogen! van! de! PVUinstallatie! en! de! vraag! van! de! wagens!vallen!daarvoor!niet!voldoende!samen.!

−

Een! erg! grote! energieopslag! is! niet! aan! te! raden.! De! redenen! zijn! enerzijds! de! grote!verliezen!en!anderzijds!een!erg!beperkte!verkleining!van!de!netaansluiting! voor!een!aanzienlijke!vergroting!van!energieopslag.!In!combinatie!met!een!grote! PVUinstallatie!valt!een!grote!energieopslag!eventueel!wel!te!verantwoorden.!Dan! kan! het! teveel! aan! energie! gebruikt! worden! tijdens! de! piekbelasting! op! het! elektrische! net.! Een! dergelijke! configuratie! schiet! echter! zijn! doel! (de! wagens)! voorbij.!

Voor! een! station! met! zowel! een! PVUinstallatie,! als! loodUzuur! batterijen,! kan! de! combinatie! van! netaansluiting! en! energieopslag! best! gekozen! worden! op! het! raakpunt! tussen! de! energieU! en! vermogensbeperking.! Een! dergelijke! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 26! Dit!is!de!vraag!naar!hoogUvermogen!laden.!Het!meerekenen!van!de!residentiële!laadvraag! zou!dit!getal!enkel!verhogen.! −

71! !

! ! energieopslag!beperkt!de!vereiste!netaansluiting!aanzienlijk,!maar!die!tradeUoff! wordt!minder!gunstig!indien!de!energieopslag!verder!uitgebreid!wordt.!Het!dak! voorzien! van! zonnepanelen,! voldoet! om! de! netbelasting! te! verkleinen.! Een! grotere!PVUinstallatie!heeft!niet!veel!zin!zonder!een!grotere!energieopslag.! −

Indien! het! in! de! toekomst! mogelijk! wordt! om! voor! nog! hogere! vermogens! te! opteren! voor! de! snelladers! (om! kortere! wachttijden! te! garanderen),! moeten! vliegwielen! zeker! overwogen! worden! als! energieopslag.! Een! dergelijke! configuratie!zou!minder!energieëfficiënt!zijn!vergeleken!met!batterijen,!maar!de! netaansluiting! zou! veel! kleiner! gekozen! kunnen! worden.! De! grootte! van! energieopslag!moet!in!een!dergelijk!geval!zeker!beperkt!blijven.!

Het!model,!zowel!voor!laadgedrag!als!voor!de!minimaal!vereiste!dimensionering!van! het! laadstation! kan! als! hulpmiddel! gelden! in! het! onderzoek! naar! de! verwachte! belasting!en!nodige!infrastructuur!voor!elektrische!mobiliteit.!Hierbij!zijn!echter!nog! een!tal!van!verbeteringen!aan!te!brengen!aan!het!model,!om!de!graad!van!realisme!te! verhogen.! Een! aantal! mogelijke! verbeteringen! en! uitbreidingen! van! het! model! zijn! hier!opgesomd:! −

Tot! nu! toe! werd! voor! het! model! alleen! rekening! gehouden! met! zuiver! batterijU elektrische! personenvoertuigen.! De! integratie! van! plugUin! hybride! voertuigen!! en!nietUpersonen!voertuigen!zou!de!resultaten!sterk!kunnen!beïnvloeden,!zeker! aangezien!vandaag!de!dag!veel!meer!plugUin!hybride!voertuigen!rondrijden!dan! zuiver!elektrische![9].!

−

De! verschillende! oplaadmogelijkheden! thuis! die! aan! een! hoger! vermogen! dan! 3!kW!laden,!kunnen!in!rekening!gebracht!worden.!!

−

Verder!kan!het!interessant!zijn!op!zoek!te!gaan!naar!een!economisch!verbeterde! dimensionering! en! aansturing! van! het! station.! Een! ‘slim’! aansturingalgoritme! voor! de! energieopslag! en! netaansluiting! kan! de! efficiëntie! van! het! station! verbeteren,!evenals!de!nodige!dimensionering!van!de!componenten!verkleinen.! Vooral! een! op! maat! ontworpen! algoritme! dat! het! PVUvermogen! opvangt! lijkt! nuttig.!

−

De! laadplaatsen! van! het! station,! net! zoals! de! energieopslag,! netaansluiting! en! PVUinstallatie!zijn!steeds!gemeenschappelijk!verondersteld.!Het!kan!interessant! zijn!de!variant!te!onderzoeken,!waarbij!laadplaatsen!geografisch!verspreid!zijn.!!

−

Het!model!bezit!een!aantal!sterke!vereenvoudigingen.!Elke!assumptie!vernoemd! in!paragraaf!2.2!zou!minder!vereenvoudigd!gemodelleerd!kunnen!worden.!

−

De! gehele! analyse! van! de! relatie! tussen! energieopslag! en! netaansluiting! is! een! gevolg!van!de!initiële!veronderstelling!dat!de!vermogensvraag!erg!hoog!zou!zijn.! Tijdens!de!modellering!voor!dit!eindwerk!is!gebleken!dat!deze!beperkt!blijkt!te! zijn!(per!1000!wagens).!Vandaar!dat!het!interessant!kan!zijn!te!onderzoeken!of! een! vereenvoudigde! variant! van! het! voorgestelde! station,! zonder! PVUinstallatie! of!energieopslag!niet!voldoet.!Het!gebruikte!model!kan!dienen!als!startpunt!voor! een!dergelijke!studie.!

!

! 72!

!

! !

Appendices! !

!

73! !

! !

Appendix!A!

Matlab!code!laad!gedrag! De!MatlabUcode!van!de!modellen!is!hier!toegevoegd,!om!de!gelegenheid!te!bieden!om! deze! te! gebruiken! bij! het! modelleren! van! gelijkaardige! modellen.! Eveneens! kan! de! manier!van!modelleren,!beschreven!in!het!eindwerk!verder!bestudeerd!worden.!De! vertaling!van!assumpties,!gedrag!en!fysische!wetmatigheden!in!wiskundige!operaties! en!code!maakte!het!grootste!deel!van!het!werk!voor!die!eindwerk!uit.!Het!hergebruik! en/of!verbetering!van!de!code!kan!veel!werk!besparen.!Veel!andere!MatLab!files!zijn! gebruikt! voor! de! modellering! en! bestudering! van! de! resultaten,! maar! diegenen! in! Appendix!A!en!B!zijn!de!belangrijkste.! De! code! kan! gewoon! gekopieerd! worden! naar! MatLab! en! uitgevoerd! worden.! Geen! extra!functies!moeten!ingeladen!worden.!! ! !function![E_lader,!P_nodig_station,!plaatsen_ingenomen,!SOC,!laad_tijd,!laad_energie,!SOC_einde,!E_thuis,!P_nodig_thuis,! geg_laadtijden]!=!SOC_def(d,!set,!SOC_start)! %!SOC_def!berekent!de!vermogensvraag!uit!een!dataset!van!wagens!(zie!hoofdstuk!2)! %!Input:!! %!d:!dag!1!=!zondag,!2!=!maandag,!...!enz.! %!set:!de!dataset!waarmee!gewerkt!wordt!1!tot!40! %!SOC_start:!de!startwaarde!voor!de!SOC!van!alle!wagens! %!gev_analyse:!string!die!dient!om!bepaalde!gevoeligheidsanalyses!uit!te! %!voeren.!Keuze!uit!'SOC_min',!'toekomst_factor',!'laden_andere_loc',! %!'SOC_thuis',!'worst',!'best'!en!'geen'! %!var:!variabele!die!bepaalt!welke!waarde!de!gevoeligheidsparameter! %!aanneemt.! %!Output:vooral!P_nodig_station!is!hier!interessant.!Deze!geeft!de! %!vermogensvraag!weer!voor!een!week!tijd!in!kW.!Dit!is!de!input!voor!het! %!model!van!het!station.! SOC_min!=!0.2;!%!minimale!SOC!waarbij!mensen!bereid!zijn!te!laden! toekomst_factor!=!1.3;!%!factor!die!rekening!houdt!met!de!verbetering!in!batterijtechnologie!tegen!2020! laden_andere_loc!=!0.4;!%!kans!dat!er!op!een!andere!locatie!dan!thuis!en!op!snellaadstation!geladen!kan!worden! SOC_thuis!=!0.5;!%!dit!is!de!waarde!waarmee!de!mensen!thuis!willen!komen!als!ze!laden,!maar!niet!meer!veel!te!rijden! hebben!!!!! %!Variabelen! eta_laden!=!0.90;!%!efficientie!van!het!traagladen! P_snel_laden!=!50;!%![kW]!vermogen!waarmee!snel!geladen!wordt!aan!het!station! P_traag_laden!=!3.680*0.9*0.9*eta_laden;!%!loading!power!home![kW],!to!disable,!simply!put!'0',!corrected!for!voltage! drop!of!15%! max_SOC_snelladen!=!0.8;!%!dit!is!het!maximum!%!tot!waar!de!mensen!snelladen,!hoger!gaat!trager!! t_extra!=!3;!%!aantal!minuten!voor/na!het!laden,!nodig!om!de!laadpaal!aan!te!sluiten/betalen/tijd!om!tot!het!station!te! geraken.! verhouding_nom_eff!=!0.8;!%!verhouding!tussen!nominale!en!effectieve!waarde!van!de!batterij! bat_inhoud!=!toekomst_factor*verhouding_nom_eff*[20,!30,!40];!%!effectieve!energieUinhoud!batterij![kWh]! load(['vehicles_data/vehicles_'!num2str(set)]);! %!Preallocatie! SOC!=![SOC_start!ones(1000,1439)];! E_thuis!=!zeros(1000,1);! P_nodig_station!=!zeros(1,1500);! P_nodig_thuis!=!zeros(1,1440);! plaatsen_ingenomen!=!zeros(1,1500);! laad_tijd!=!zeros(1000,10);! laadtijden!=!zeros(1000,10);! laad_energie!=!zeros(1000,10);! %!berekeningen! for!i!=!1:1000! !!!!bat!=!bat_inhoud(rem(Segment_PHEV(i)+2,3)+1);! !!!!if!rand(1)!
74! !

! ! !!!!else! !!!!!!!!temp_work!=!zeros(1,1440);! !!!!end! !!!!temp_home!=!autos_afwezig(i,:,d)!==!0;! !!!!loading_work_home!=!(temp_work+temp_home)*P_traag_laden/60;!%!kWh!per!minuut!die!opgeladen!KAN!worden:! indien!SOC!reeds!100%!is,!kan!er!niet!meer!opgeladen!worden! !!!!for!j!=!2:1440! !!!!!!!!SOC(i,j)!=!min(1,!SOC(i,jU1)!U!kWh_nodig(i,j,d)./bat!+!loading_work_home(j)./bat);!%!SOC!bepalen!uit!1)!BeginUSOC,! 2)!Verbruik!onderweg,!3)!Laadmogelijkheden!op!het!werk/thuis! !!!!end! !!!!nr_loading!=!1;! !!!!while!min(SOC(i,:))!
!

!

75! !

! !

Appendix!B!

Matlab!code!modellering!station! Zie!ook!Appendix!A.! ! function![P_grid,!SOC]!=!station_bat_def(PVereistWeek,!PNetMaximaal,!EOpslagMax,!PPv)! %!station_bat_def!modeleert!het!gedrag!van!het!snellaadstation!met!batterijn!als! %!energieopslag.!Eerst!worden!de!verschillende!parameters!ingesteld,!vervolgens! %!wordt!per!tijdstap!(1!min)!de!SOC!van!de!energieopslag!en!het!netvermogen! %!berekend.! %!Input:!! %!PVereistWeek:!de!vermogensvraag!van!de!wagens!in!kW,!berekend!met!het!model!voor! %!het!laadgedrag!in!de!vorm!van!een!1!x!10080!matrix! %!PPv:!het!vermogen!van!de!PVUinstallatie!in!kW!in!de!vorm!van!een!1!x!10080!matrix! %!PNetMaximaal:!het!maximale!vermogen!van!de!netaansluiting!in!kW! %!EOpslagMax:!de!maximale!nominale!energieUinhoud!van!de!energieopslag!in!kWh! %!Output:!! %!P_grid:!het!vermogen!uit!(positief)!of!naar!(negatief)!het!net!in!kW! %!SOC:!de!effectieve!state!of!charge!van!de!energieopslag!in!%! %!Specificaties!batterijen! spec_E_bat!!!!!!=!0.03858;!%!specifieke!energie!is!0.03858!kWh/kg! rho_E_bat!!!!!!!=!0.09229;!%!energiedichtheid!is!0.09229!kWh/l! m_bat!!!!!!!!!!!=!EOpslagMax/spec_E_bat;!%!E_bat_max!is!nominaal! vol_bat!!!!!!!!!=!EOpslagMax/rho_E_bat/1000;!%!volume!van!batterij!in!kubieke!meter![m³]! P_bat!!!!!!!!!!!=!0.05;!%!batterijen!leveren!0.05!kW!per!kilo! f_zelfontlading!=!1.2eU6;!%!Batterij!ontlaadt!tegen!5%!per!maand.!Deze!waarde!is!kWh/min!verlies! f_eff_nom!!!!!!!=!0.8;!%!bruikbare!deel!van!de!batterij!(verschil!tussen!effectieve!en!nominale!energie)! eta_bat!!!!!!!!!=!0.85;!%!efficientie!van!atterijopslag!(van!het!station!zelf)!! E_bat_max!=!EOpslagMax*f_eff_nom;!%!Maximaal!effectieve!energie!in!batterijen.! E_bat_min!=!0;!%!Minimaal!effectieve!energie!in!batterijen.! P_bat_max_ch!!!!=!m_bat*P_bat;!%!Maximum!vermogen!opladen.! P_bat_max_disch!=!m_bat*P_bat;!%!Maximum!vermogen!ontladen.!!! %!Efficiënties! eta_pv!=!0.95;!%!efficientie!van!de!PV_invertor!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! eta_ch!=!0.85;!%!efficientie!van!snellader!(vermogenelektronica,!thermische!verliezen)! %!Preallocatie!&!initialisatie! E_bat!!!!!!!=!zeros(1,10080);! P_grid!!!!!!=!zeros(1,10080);! P_to_car!!!!=!zeros(1,10080);! voorwaarde!!=!zeros(1,10080);! P_from_bat!!=!PVereistWeek/eta_chUPPv*eta_ch*eta_pvUPNetMaximaal*eta_ch;! E_bat(1)!!!!=!(E_bat_max+E_bat_min)/2;!%!startUenergie!batterij! %!Scenario's! scen1!=!'Aanbod!aan!batterijen,!batterij!kan!opgeladen!worden,!batterij!kan!vermogen!aan';! scen2!=!'Aanbod!aan!batterijen,!batterij!kan!opgeladen!worden,!batterij!kan!vermogen!niet!aan';! scen3!=!'Aanbod!aan!batterijen,!batterij!max!opgeladen';! scen4!=!'Vraag!aan!batterijen,!voldoende!energie,!batterij!kan!vermogen!aan';! scen5!=!'Vraag!aan!batterijen,!voldoende!energie,!batterij!kan!vermogen!niet!aan';! scen6!=!'Vraag!aan!batterijen,!onvoldoende!energie';! scen0!=!'Nog!onbekende!voorwaarde';! for!i!=!2:10080! !!!!if!E_bat(iU1)/(spec_E_bat*m_bat)!=!E_bat(iU1)!U!P_from_bat(i)/60!U!E_bat(iU1)*f_zelfontlading!&&!P_bat_max_ch!>=! UP_from_bat(i)! !!!!!!!!scenario!=!scen1;! !!!!!!!!voorwaarde(i)!=!1;!

76! !

! ! !!!!elseif!P_from_bat(i)!<=!0!&&!E_bat_max!>=!E_bat(iU1)!U!P_from_bat(i)/60!U!E_bat(iU1)*f_zelfontlading!&&! P_bat_max_ch*P_bat_corr!!0!&&!E_bat_min!<=!E_bat(iU1)!U!P_from_bat(i)/60!!U!E_bat(iU1)*f_zelfontlading!&&! P_bat_max_disch!>=!P_from_bat(i)! !!!!!!!!scenario!=!scen4;!! !!!!!!!!voorwaarde(i)!=!4;!!!!!!!!! !!!!elseif!P_from_bat(i)!>!0!&&!E_bat_min!<=!E_bat(iU1)!U!P_from_bat(i)/60!U!E_bat(iU1)*f_zelfontlading!&&! P_bat_max_disch!!0!&&!E_bat_min!>!E_bat(iU1)!U!P_from_bat(i)/60!U!E_bat(iU1)*f_zelfontlading! !!!!!!!!scenario!=!scen6;!! !!!!!!!!voorwaarde(i)!=!6;!!! !!!!else! !!!!!!!!scenario!=!scen0;! !!!!end! !!!!%!Actie!uitvoeren!in!functie!van!de!voorwaarde.! !!!!switch!scenario! !!!!!!!!case!scen1! !!!!!!!!!!!!P_grid(i)!!!!=!PNetMaximaal;! !!!!!!!!!!!!E_bat(i)!!!!!=!E_bat(iU1)UP_from_bat(i)/60UE_bat(iU1)*f_zelfontlading;! !!!!!!!!!!!!P_to_car(i)!!=!PVereistWeek(i);! !!!!!!!!case!scen2! !!!!!!!!!!!!P_grid(i)!!!!=!max(PVereistWeek(i)/eta_ch+P_bat_max_ch/eta_bat*P_bat_corrUPPv(i)*eta_pv,UPNetMaximaal);! !!!!!!!!!!!!E_bat(i)!!!!!=!E_bat(iU1)+P_bat_max_ch*P_bat_corr/60UE_bat(iU1)*f_zelfontlading;! !!!!!!!!!!!!P_to_car(i)!!=!PVereistWeek(i);! !!!!!!!!case!scen3! !!!!!!!!!!!!P_grid(i)!!!!=!max(PVereistWeek(i)/eta_ch+(E_bat_maxUE_bat(iU1))/(60*eta_bat)UPPv(i)*eta_pv,UPNetMaximaal);! !!!!!!!!!!!!E_bat(i)!!!!!=!E_bat_maxUE_bat(iU1)*f_zelfontlading;! !!!!!!!!!!!!P_to_car(i)!!=!PVereistWeek(i);! !!!!!!!!case!scen4! !!!!!!!!!!!!P_grid(i)!!!!=!PNetMaximaal;! !!!!!!!!!!!!E_bat(i)!!!!!=!E_bat(iU1)UP_from_bat(i)/60UE_bat(iU1)*f_zelfontlading;! !!!!!!!!!!!!P_to_car(i)!!=!PVereistWeek(i);! !!!!!!!!case!scen5! !!!!!!!!!!!!P_grid(i)!!!!=!PNetMaximaal;! !!!!!!!!!!!!E_bat(i)!!!!!=!E_bat(iU1)UP_bat_max_disch/60UE_bat(iU1)*f_zelfontlading;! !!!!!!!!!!!!P_to_car(i)!!=!PPv(i)*eta_pv*eta_ch+PNetMaximaal*eta_ch+P_bat_max_disch*eta_bat*eta_ch;! !!!!!!!!case!scen6! !!!!!!!!!!!!P_grid(i)!!!!=!PNetMaximaal;! !!!!!!!!!!!!E_bat(i)!!!!!=!min(E_bat_min,E_bat(iU1)*(1Uf_zelfontlading));! !!!!!!!!!!!!P_to_car(i)!!=!PPv(i)*eta_pv*eta_ch+PNetMaximaal*eta_ch;! !!!!!!!!case!scen0! !!!!!!!!!!!!disp(['Na!'!num2str(i*timestep/3600)!'!u!aan!geen!enkele!voorwaarde!voldaan.'])! !!!!end! end! SOC!=!E_bat/E_bat_max*100;! !!

! !

!

77! !

! !

Appendix!C!

CHAdeMO!standaard!

! !

CHAdeMO!

! !

78! !

! !

!

! !

!

79! !

! !

Bibliografie! [1]

M.! Duvall,! E.! Knipping,! M.! Alexander,! L.! Tonachel,! C.! Clark,! “Environmental! Assessment! of! PlugUIn! Hybrid! Electric! Vehicles”,! Tech.! Rep.,! Electric% Power% Research%Institute,!juli!2007.!

[2]

M.! Granovskii,! I.! Dincer,! M.! A.! Rosen,! “Economic! and! environmental! comparison! of! conventional,! hybrid,! electric! and! hydrogen! fuel! cell! vehicles”,! ! Faculty% of% Engineering% and% Applied% Science,% University% of% Ontario% Institute%of%Technology,!25!nov.!2005.!

[3]

(laatst! bezocht! op! 11! mei! 2012)! London! Brent! Oil.! [Online! beschikbaar]:! http://grafieken.tijd.be/190118645!

[4]

J.!Schauvliege,!Luchtkwaliteitsplan,!Vlaams!Minister!Van!Leefmilieu,!Natuur! en!Cultuur,!Vlaams!Gewest,!30!sept.!2011.!

[5]

(Laatst! bezocht! op! 27! mei! 2012)! Europese! emissiestandaard.! [Online! beschikbaar]:!http://nl.wikipedia.org/wiki/Europese_emissiestandaard!!

[6]

J.! Van! Roy,! K.! Vogt,! “Analyse! van! verschillende! batterijcapaciteiten! voor! plugUin! hybride! elektrische! voertuigen”,! Masterthesis! aan! de! KU! Leuven,! 2010.!

[7]

(Laatst! bezocht! op! 12! mei! 2012)! Reducing! CO2! emissions! from! lightUduty! vehicles.! [Online! beschikbaar]:! http://ec.europa.eu/environment/air/! transport!/!co2/co2_home.htm!

[8]

(Laatst! bezocht! op! 13! maart! 2012)! ABB! Power! Electronics! for! a! DC! fast! charging! station.! [Online! beschikbaar]:! http://www02.abb.com/global/! dkabb/kabb505.nsf/0/8cd0fca2ab2da0b2c12577f400428ce7/$file/DC+Fat t+Charge+Station+160910.pdf!

[9]

(Laatst! bezocht! op! 25! maart! 2012)! OVG! Vlaanderen,! “Kenmerken! van! personenwagens”,! Instituut% voor% mobiliteit.! [Online! beschikbaar]:! http://www.!mobielvlaanderen.be/pdf/ovg42/ovg42Ua3.pdf!

[10]

(Laatst! bezocht! op! 18! mei! 2012)! Rapport! OVG! Vlaanderen! 3.! [Online! beschikbaar]:! http://www.mobielvlaanderen.be/ovg/ovg42U1.php?a=19&! nav=11!

[11]

J.! Van! Roy,! N.! Leemput,! S.! De! Breucker,! F.! Geth,! P.! Tant,! J.! Driesen.,! “An! Availability!Analysis!and!Energy!Consumption!Model!for!a!Flemish!Fleet!of! Electric! Vehicles”,! European% Electric% Vehicle% Congress,! Brussels,! Belgium,! 2011.! 80!

!

! ! [12]

L.! Serrao,! Z.! Chehab,! Y.! Guezennee,! G.! Rizzoni,! "An! aging! model! of! NiUMH! batteries! for! hybrid! electric! vehicles,"! Vehicle% Power% and% Propulsion,! 2005! IEEE!Conference,!sept.!2005.!

[13]

T.! Guena,! P.! Leblanc,! "How! Depth! of! Discharge! Affects! the! Cycle! Life! of! LithiumUMetalUPolymer! Batteries,"! Telecommunications% Energy% Conference,! 2006.!

[14]

(Laatst! bezocht! op! 13! april! 2012)! IEC! normering.! [Online! beschikbaar]:! http://webstore.iec.ch/!

[15]

(Laatst!bezocht!op!12!juni!2012)!Power!Quality!Application!Guide,!Voltage! Disturbances,! Standard! EN! 50160.! [Online! beschikbaar]:! http://www.copperinfo.co.uk/powerUquality/downloads/pqug/542standar dUenU50160UvoltageUcharacteristicsUin.pdf!

[16]

(Laatst!bezocht!op!14!juni!2012)!CHAdeMO!interface.![Online!beschikbaar]:! http://www.chademo.com/pdf/interface.pdf!

[17]

(Laatst! bezocht! op! 14! juni! 2012)! Public! Fast! Charging! Station,! 250kw! DC,! AeroVironment™! EV! Solutions™! [Online! beschikbaar]:! http://evsolutions! .avinc.com/uploads/products/2_AV_EV250UPS_061110_public_high.pdf!

[18]

P.UH.! Cheng,! C.UL.! Chen,! “High! efficiency! and! nondissipative! fast! charging! strategy”,!Electric%Power%Applications,!Vol.!150,!pp.!539U!545,!sept!2003.!

[19]

K.UC.! Lee,! J.UM.! Kim,! D.UH.! Koo,! “ClosedUloop! regenerative! efficiency! testing! with! electric! vehicle! bidirectional! DCUDC! converter”,! 27th% Annual% IEEE% Applied%Power%Electronics%Conference%and%Exposition,!Blacksburg!feb!2012.!

[20]

(Laatst!bezocht!op!29!mei!2012)!Battery!University,!highUpower!lithiumUion! [Online! beschikbaar]:! http://batteryuniversity.com/learn/article/the_high! _power_lithium_ion!!

[21]

(Laatst! bezocht! op! 29! mei! 2012)! Laadmethoden! voor! de! Nissan! Leaf,! POD! Point! Home.! [Online! beschikbaar]:! http://nl.nissan.be/BE/nl/! vehicles/electricUvehicles/electricUleaf/leaf/chargingUandUautonomy/podU pointUhome.html#vehicles/electricUvehicles/electricUleaf/leaf/chargingU andUautonomy/chargingUbattery!

[22]

(Laatst!bezocht!op!30!mei!2012)!Veiligheidsmaatregelen!bij!het!laden,!ICU.! [Online! beschikbaar]:! http://www.icuUchargingUstations.com/content.php?! id=9!

[23]

(Laatst! bezocht! op! 22! mei! 2012)! EV’s! compatibel! met! de! CHAdeMO! aansluiting.! [Online! beschikbaar]:! http://www.chademo.com/03_EVs_! compatible_with_CHAdeMO.html!

[24]

(Laatst!bezocht!op!10!april!2012)!“ABB!introducing!new!DC!fastUcharger!in! Europe”! [Online! beschikbaar]:! http://www.greencarcongress.com/2012/03!/abbU20120328.html!

[25]

S.! Vazquez,! “Energy! Storage! Systems! for! Transport! and! Grid! Applications”,! Industrial%Electronics,%IEEE%Transactions,!Vol.!57,!dec!2010.!

[26]

D.!H.!Doughty,!P.!C.!Butler,!A.!A.!Akhil,!N.!H.!Clark,!J.!D.!Boyes.!“Batteries!for! LargeUScale! Stationary! Electrical! Energy! Storage”.! The% Electrochemical% Society,!2010.! 81!

!

! ! [27]

(Laatst! bezocht! op! 10! april! 2012)! Power! Sonic! PG! Long! Life! datasheet.! [Online!beschikbaar]:!http://www.powerUsonic.com/pg_series.php!

[28]

(Laatst!bezocht!op!4!april!2012)!Deep!Cycle!Battery.![Online!beschikbaar]:! http://www.windsun.com/Batteries/Battery_FAQ.htm#Temperature! Effects!on!Batteries.!

[29]

(Laatst!bezocht!op!8!april!2012)!LeadUacid!batteries.![Online!beschikbaar]:!! http://en.wikipedia.org/wiki/LeadUacid_battery!

[30]

F.! Geth,! D.! Six,! J.! Tant,! T.! De! Rybel,! P.! Tant,! J.! Driesen,! “TechnoUEconomical! And! Life! Expectancy! Modeling! Of! Battery! Energy! Storage! Systems”! 21st! International%Conference%on%Electricity%Distribution,!Paper!1106,!juni!2011.!

[31]

(Laatst! bezocht! op! 10! januari! 2012)! Battery! comparison,! MPowerUK.! [Online! beschikbaar]:! ! http://www.mpoweruk.com/specifications/! comparisons.pdf!

[32]

(Laatst! bezocht! op!15! maart! 2012)! 235! Watt! Polycrystalline! Solar! Module,! Suntech.! ! [Online! beschikbaar]:! http://eu.suntechUpower.com/images! /stories/pdf/datasheets_feb_2012/EN/20120202%20Wd235(MC4_235_23 0_225)_EN_Web.pdf!

[33]

R.!Mallwitz,!B.!Engel,!“Solar!power!inverters”,!6th!International!Conference,! Integrated%Power%Electronics%Systems,!pp.!1U7,!maart!2010.!

!

82! !

! !

!

! !

! ! ! K.U.Leuven!Faculteit!Ingenieurswetenschappen! !

2011U2012!

! Fiche!Masterproef! ! Student:!Nick!Machiels! Nederlandse! Titel:! Ontwerpcriteria! voor! snellaadstations! voor! elektrische! wagens! gebaseerd!op!Vlaams!mobiliteitsgedrag.! English! title:! Design! criteria! for! fast! charging! stations! for! electrical! vehicles! based! on!Flemish!transportation!behavior.! UDC:!620.9! Korte!inhoud:!! Elektrische% mobiliteit% vormt% een% mogelijk% oplossing% tot% verminderde% afhankelijkheid% van% fossiele% brandstoffen% en% verminderde% uitstoot,% wat% de% luchtkwaliteit% en% volksgezondheid%kan%verbeteren.%In%deze%thesis%worden%de%ontwerpcriteria%bestudeerd% voor%een%snellaadstation.%Dit%snellaadstation%vormt%een%aanvulling%voor%de%residentiële% en% openbare% traagPlaadPinfrastructuur.% Als% richtjaar% is% 2020% gekozen.% Hiertoe% wordt% een%model%uitgewerkt%dat%uit%twee%delen%bestaat.% Het% eerste% deel% modelleert% de% vermogensP% en% energievraag% a.d.h.v.% data% over% hedendaags%mobiliteitsgedrag%in%Vlaanderen.%Een%sensitiviteitsanalyse%is%uitgevoerd%op% de% belangrijkste% parameters,% zijnde% de% minimale% SOC% waarmee% de% wagens% rondrijden,% de% batterijcapaciteit,% de% mogelijkheid% tot% openbaar% traagladen% en% de% gewenste% SOCP waarde%bij%thuiskomst.%Het%aandeel%van%de%wagens%dat%nood%heeft%aan%snel%laden%3%%% tot% 59%%% van% alle% wagens% (best% en% worst% case% scenario).% Slechts% een% klein% deel% v.d.% wagens%komt%meer%dan%eens%per%dag%of%per%week%herladen.% Het% tweede% deel% van% het% model% simuleert% het% snellaadstation.% Dit% is% opgedeeld% in% een% netaansluiting,% een% PVPsysteem,% energieopslag% en% de% feitelijke% snelladers.% De% energieopslag%is%voorzien%door%loodPzuur%batterijen.%De%functies%van%de%batterijen%zijn% om% de% piek% en% het% dal% in% vermogensvraag% af% te% vlakken% en% de% netaansluiting% te% beperken%in%grootte.%Het%station%wordt%aangestuurd%volgens%een% rulePbased%algoritme% dat% bij% elke% tijdstap% geen% toekomstige% kennis% gebruikt.% De% tradePoff% tussen% energieopslag%en%netaansluiting%is%bestudeerd%a.d.h.v.%drie%cases.%Ook%de%invloed%van%de% PVPinstallatie%en%het%soort%energieopslag%is%onderzocht.% Ten%slotte%is%gekeken%naar%wat%het%effect%is%op%het%gedrag%en%de%dekkingsgraad%van%het% station,% indien% minder% laadplaatsen% voorzien% worden% als% noodzakelijk.% Een% vermindering% van% de% laadplaatsen% met% meer% dan% de% helft% (van% 9% naar% 4)% heeft% nog% steeds% een% dekkingsgraad% van% 94%%% tot% gevolg.% Indien% mensen% bereid% zijn% 10%min.% te% wachten%stijgt%de%dekkingsgraad%verder%tot%99%%.%% Thesis! voorgedragen! tot! het! behalen! van! de! graad! van! Master! in! de! ingenieurswetenschappen:!elektrische!energie.! Promotor:!prof.!dr.!ir.!Johan!Driesen.! Assessoren:!ir.!Richard!Marcelis,!dr.!Jeroen!Büscher.! Begeleiders:!ir.!Niels!Leemput,!ir.!Frederik!Geth,!ir.!Juan!Van!Roy.! ! ! !

! ! !

!