I detta inlägg kommer vi diskutera olika metoder att styra elbilsladdare. Vi kommer gå igenom varför det är viktigt att ladda på smart och med styrning och också diskutera de utmaningarna som elnätet ställs inför när andelen elbilar ökar.

Elbilsladdning i elnätsperspektiv

Det är många som tror att i takt med att antalet elbilar ökar kommer det bidra till en ohälsosam stress för ett redan stressat elnät. Det pratas var och varannan dag om kapacitetsbrist, i en allt mer alarmerande ton. Faktum är att dom har rätt, om inte laddningen styrs på ett bra sätt eller om inte framtidens elbilsägare får rätt (pris)signaler från marknaden kan det leda till mindre kapacitet i elnätet och en minskad hastighet att ställa om och elektrifiera transportsektorn.

Att få elbilsägare att ladda på det sätt som är bäst för elnätet kommer inte ske av sig självt. Det kommer krävas elbilsägarna får prissignaler från marknaden på att ladda när kapacitet finns och undvika laddning när nätet är hårt belastat. Idag sker den mesta laddningen utan hänsyn till elnätet i sig utan snarare till fastighetens kapacitet. Tillsammans med ny teknik så som nya batterikemier, styrsystem men också artificiell intelligens (AI) och 5G kommer nya möjligheter öppnas upp, både tekniskt men också rent marknadsmässigt. I framtiden kommer laddning ske när priset är lågt och när kapacitet finns i elnätet men det kommer också möjliggöras att ladda ur sin elbil och stödja med kapacitet. Antingen för sitt hus, med så kallad vehicle to home där bilens batteri blir en resurs för hemmet eller med vehicle to grid där bilens batteri blir en resurs för elnätet och kan både ladda i och ur beroende på behov. Teknikbloggen planerar definitivt att ta upp V2H och V2G mer utförligt i ett kommande inlägg!

I elnätet blir det trängre, dvs vi har tillgång till ex vattenkraft i norr och dammarna är fyllda men vi har inte ledningskapacitet att transportera elen ner till södra Sverige. Det är ett problem för den svenska konkurrenskraften men också för hur snabbt vi kan elektrifiera transportsektorn.  Men, sättet vi laddar våra elbilar på kan stressa elnätet mer eller mindre. Det finns stora möjligheter att smart styra laddningen, till tider då elektricitet är billig eller att minska laddningsbehovet när kapacitet behövs till annat. En svensk kör endast några få mil per dag i snitt och en elbil drar ca 2kWh/mil. Så behovet av att ladda snabbt för jobbpendligen och vardagsåkningen är relativt liten. Behovet för elnätet (och din egen plånbok) är desto större!

När elbilarna ökar i antal ökar behovet av både effekt och energi. Den största problematiken är att få fram tillräckligt med effekt. Faktum är att vi betalar mer pengar för vårt elnät och överföring av el än vad vi lägger på att framställa elektriciteten! Eftersom elnätet dimensioneras efter de högsta behovet under året kan ovarsam användning av el tvinga oss att uppgradera elnätet onödigt mycket. Och som sagt, det är dyrt att bygga elnät! Exempelvis i New England (USA) har simuleringar visat en ökning av 19% av peak demand, dvs topplasten. Detta skulle medföra att det krävs mer överföringskapacitet och ökad kapacitet för produktion. Med 100% elbilar i Skandinavien och Tyskland 2050 skulle nettolastkurvan öka med 20%, från 127GW till 152GW. Om däremot V2G implementeras kan kurvan jämnas ut och skulle innebära en reduktion med 7% dvs ner från 127GW till 118GW [1]. Det finns alltså stora besparingar på systemnivå att uppnå!

När man pratar om smart laddning av elbilar måste man komma ihåg för vem skall laddningen vara smart. Visst är det bra att ladda så effektivt om möjligt för dig som har en villa eller laddar i en bostadsrättsförenings garage. Men hur smart är det egentligen att ladda utan att ha koll på statusen på elnätet som helhet? Även om din bostadsrättsförenings laddstolpar är perfekt dimensionerade och optimerar laddningen med tanke på fastighetens förutsättningar, om det svenska (nordiska) elnätet går för högtryck hade man kunnat stressa det mindre genom att vrida ner sin laddhastighet under några timmar. Det är detta som kallas efterfrågeflexibilitet och är en relativt ny företeelse. Det håller på att byggas upp nya marknader och intäktsmöjligheter för de elanvändare som kan vara flexibla, exempelvis en fabrik som kan pausa produktionen i några timmar eller elbilsägare som kan tänka sig ladda långsammare (eller ladda ur sin elbil) till fördel för de behov som finns på en systemnivå. Detta kan bidra till nyttor så som att det går att frigöra kapacitet, balansen mellan produktion och konsumtion går att styra, flaskhalsar minimeras och möjlighet till spänningshållning. Alla dessa tjänster som utförs kommer man givetvis få betalt för, antingen direkt eller via en aggreagator som fungerar som en samordnare för mindre produktions och konsumtionsanläggningar (exempelvis elbilsallare och solcellsanläggningar)!

Figur 1. Möjliga intäkstsströmmar för en elbilsägare med sålda tjänster till elnätet.

 

De flesta intelligenta laddboxar är förberedda för att kunna ta en extern styrsignal och låta sin elnätägare eller aggregator minska (eller öka) laddeffekten, mot en ersättning förstås. Exempelvis har projektet Stockholm Flex startats upp som en flexibilitetsmarknad i Stockholm (läs gärna mer HÄR).

Figur 2. Optimering på olika nivåer

Olika varianter av styrning av elbilsladdare

Efter denna utblick i helikopterperspektiv på hur elbilsladdning på en elnätsskala fungerar och vilka möjligheter och utmaningar det finns är det nu dags för Senergias Teknikblogg att dyka ner i konkreta exempel på hur elbilsladdare kan styras (och inte styras). Vi kommer gå igenom allt ifrån ett ensamt uttag utan styrning till hur man koordinerar flera laddpunkter med solel och batterier!

En laddstolpe – utan styrning

En laddstolpe som inte har någon styrning fungerar som ett vanligt uttag. Har man ex 20A huvudsäkring och en laddstolpe som är ansluten på trefas 16A räcker det att man har igång något i huset, exempelvis ugnen för att huvudsäkringen skall överbelastas och lösa ut. Vilket skulle göra hela huset utan el. Sådana här installationer är såklart ovanliga, men det händer allt för ofta att nya elbilsägare inte förstått att de måste ha en smart(are) laddstolpe.

En laddstolpe – statisk strypning

Nästa steg mot exemplet ovan är att man ställer ned laddeffekten i laddstolpen statiskt. Dvs att man exempelvis endast plockar ut 8A, ur en laddstolpe som klarar att mata ut trefas 16A. Då finns det mer kapacitet till övriga hushållet och sannolikheten att huvudsäkringen löser ut minskar. Men, eftersom ingen styrning finns räcker det att bastun körs samtidigt som man lagar mat och man laddar elbilen för att det skall blir becksvart hemma igen.

En laddstolpe – dynamisk styrning

Lösningen för de två ovan nämnda exemplen är att ha en laddstolpe med en effektvakt, eller en så kallad dynamisk laststyrning. Laddstolpen har då en energimätare i husets elcentral som kontinuerligt läser av konsumtionen i huset. Den räknar sedan fram hur mycket kapacitet som finns tillgänglig och tilldelar den till laddstolpen. Detta gör att man aldrig riskerar att säkringen går på grund av elbilsladdningen. Det man dock får komma ihåg är att laddstolpen prioriterar alltid sig själv sist, så att om det inte finns så mycket kapacitet när man använder mycket ström i huset så laddar inte elbilen speciellt fort. Men så fort konsumtionen går ner, frigörs kapacitet vilket elbilen kan använda och ladda med. Det blir extra smidigt när man kommer hem efter jobbet och pluggar in elbilen för att sedan dra igång med både tvätten och matlagningen. Då ser den dynamiska styrningen till att så fort maten och tvätten är klar, öka upp laddhastigheten för att ladda klart under natten. Allt utan att du behöver lyfta ett finger. Bilen kommer vara färdigladdad lagom till morgonkaffet!

Figur 3. Ctek E-mobilitys laststyrning Nano Grid Local.

Dynamisk styrning med solel

Om en fastighet har en solcellsanläggning (och ev. batterilagring) finns mer verktyg att använda sig av. Detta för att mer energi finns lokalt tillgänglig, bakom elnätsägarens elmätare. Det möjliggör exempelvis att med Ferroamps Energy Hub tillsammans med Cteks laddbox agerar Energy Hub som mät och styrsystem till laddaren [2]. Den kommunicerar då den lokalt tillgängliga effekten, och inte bara en statisk huvudsäkringsnivå. Detta gör att laddning kan ske snabbare med lokal solel, samtidigt som Ferroamps fasbalanseringsteknologi frigör kapacitet. Dessutom kan ett batterilager se till att laddningen sker än snabbare, utan att riskera att huvudsäkringen löser ut. Det kallar vi Solel 2,0!

Figur 4. Ferroamp och Cteks integration mellan solel och elbilsladdning in action.
Notera att elbilen laddar mer än vad huvudsäkringen ”klarar av” tack vare fasbalansering.

Styrning av en grupp laddare

För applikationer där flera laddboxar skall installeras, exempelvis en bostadsrättsförening krävs det samordning mellan fler laddare för att inte någon säkring skall lösa ut. Detta möjliggörs med att ha en master-laddare som tilldelar kapacitet mellan laddboxarna. Med lastbalansering aktiverad kommer elbilsladdningen vara begränsad till den maximalt tillåtna strömmen. Styrs effekten ned kommer laddningen att ta något längre tid, men ingen säkring kommer att lösa ut. Lastbalanseringen kan sättas på laddstationsnivå vilket innebär att vissa laddboxar kan gå med full effekt medan utvalda kan ha en begränsad effekt.

Figur 5. lastbalansering mellan flera enheter, Nano Grid Local från Ctek E-mobility

På bilden som illustreras nedan kan man se en statisk strypning. Där är den möjliga kapaciteten framräknad från ett worst case scenario, dvs toppen på lasten upp till huvudsäkringsnivån. I detta fall ca 12A på tre faser, dvs ca 8kW. Det visar tydligt att man behöver frigöra kapacitet och ladda smart och inte behöver säkra upp fastigheten, till en högre månadskostnad.

Figur 6. Exempel på statisk styrning.

Dynamisk styrning av en grupp laddare

Liknande exemplet ovan med dynamisk styrning går det såklart också att orkestrera laddning i en grupp. Med en extern kontrollenhet övervakas lasterna i fastigheten och den kvarvarande kapaciteten fördelas till laddboxarna. Det gör att hissar, belysning, ventilation etc. alltid prioriteras och laddstolparna alltid styrs baserat på hur mycket ledig kapacitet det finns i fastigheten.

Laddboxarna hamnar automatiskt i kö om inte minimikapacitet kan garanteras och så fort en laddning är klar kan nästa påbörjas. Systemet ser alltid till att ladda med maximal hasighet utan att fastighetens övriga bekvämligheter påverkas

Figur 7. Dynamisk styrning av flera laddenheter.

Figur 8. Exempel på dynamisk styrning.

Dynamisk styrning med solel

Om flera laddpunkter skall styras och fastigheten har solceller på taket finns flera smarta möjligheter att styra elbilsladdningen i ex. bostadsrättsföreningen. Det som krävs är att laddarna får reda på den tillgängliga effekten för fastigheten där solelen inkluderas. Det innebär att solcellssystemet och elbilsladdarna måste vara integrerade och sammankopplade för att fungera tillsammans.

I större installationer kan Chargestom Grid Central ersättas med en Ferroamp Energy Hub. Den tillgängliga kapaciteten monitoreras av strömtransformatorer på inkommande servisledning där också fasbalansering sker. Till laddboxarna kommuniceras en tillgänglig effekt via Ferroamps API, direkt till laddboxarna. Detta möjliggör att om solel (och/eller stationära batterier) finns tillgängligt får alltid laddarna maximalt möjliga kapacitet för snabb och säker laddning samtidigt som husets huvudsäkring belastas så lite som möjligt, vilket sparar kostnader för fastighetsägaren. Lägg där till möjligheten med snabbladdning via DC i Ferroamps Nano Grid eller i Power Share applikationer där flera fastigheter kopplas samman i ett likströmsnät (läs gärna Teknikbloggens inlägg 13 som tar upp likströmsnät).

Figur 9. Elbilsladdningspotential med ett solcellssystem från Ferroamp och laddstolpar från Ctek E-mobility

Slutsatser

Efter detta inlägg står det klart att behovet av att styra sin elbilsladdning är väldigt viktig, inte bara för det är det mest kostnadseffektiva sättet. Det möjliggör också flest elbilar (och laddare) per fastighet! I takt med att andelen elbilar ökar kommer det ställas högre krav på hur vi laddar, rådet från Teknikbloggens sida är att fundera ett extra varv kring framtiden och hur du framtidssäkrar din anläggning.

Lägger man där till den framtida externa styrningen av laddstolpar på ett regionalt eller nationellt plan, kan man tjäna på att vara flexibel. Att låta sin elbilsladdning vänta eller att rent av sälja tillbaka kapacitet från sin laddade elbil till elnätet kommer vara viktig funktionalitet.

Vi bör snarast gå ifrån att se våra fastigheter och elbilar som statiska belastningspunkter i elnätet. Breddar vi vår syn och ser dom som flexibla resurser som både kan leverera ut och in elektricitet öppnas nya möjligheter. Möjligheter för ett mer miljö- och resurseffektivt energisystem som dessutom är kostnadseffektivt!

Referenser

[1]

M. Taljegard, ”The impact of an Electrification of Road Transportation on the Electricity system in Scandinavia,” Charmers University of Technology, Gothenburg, 2017.

[2]

Ferroamp, ”Pressmeddelande – Ferroamp och CTEK lanserar ny integrationslösning för Chargestorm Connected och EnergyHub,” Stockholm, 2020.
https://investor.ferroamp.com/pressmeddelanden/ferroamp-och-ctek-lanserar-ny-integrationslosning-for-charge-78372