Coordinated planning of European charging infrastructure and energy system for optimal V1G and V2G deployment

Technische Samenvatting: Coördinatie van de planning van Europese laadinfrastructuur en het energiesysteem voor optimale V1G- en V2G-implementatie

Probleemstelling
Huidige Europese doelstellingen voor elektrische voertuig (EV) laadinfrastructuur, zoals in de Alternative Fuels Infrastructure Regulation (AFIR), vertrouwen op uniforme benchmarks (bijv. 1,3 kW per voertuig) die de potentiële flexibiliteit van slim laden (V1G) en Vehicle-to-Grid (V2G) technologieën over het hoofd zien. Eerdere beoordelingen van de voordelen van V1G en V2G werden beperkt door uiteenlopende schattingen van systeemkostenbesparingen (variërend van 0% tot 20%), een afhankelijkheid van exogene aannames voor marktwaarden, en het verwarren van infrastructuurkosten met vergoedingsvergoedingen. Bovendien behandelen veel modellen investeringen in infrastructuur als een onafhankelijke beslissing in plaats van een endogene variabele, wat een goede evaluatie van de concurrentie tussen ongecontroleerde, V1G- en V2G-laadstrategieën verhindert. Er is een gebrek aan systematische beoordeling over welke flexibiliteitsopties consistente systeemvoordelen bieden en onder welke specifieke kenmerken van het energiesysteem deze opties het meest effectief zijn.

Methodologie
De auteurs breiden het sectorgekoppelde Euro-Calliope energie-systeemoptimalisatiemodel uit om de laadinfrastructuur en de bijbehorende kosten expliciet als endogene beslissingsvariabelen te representeren. Het model werkt op een uurlijkse temporele resolutie en een nationale (NUTS 0) ruimtelijke resolutie voor 2050, waarbij de totale systeemkosten worden geminimaliseerd, inclusief voertuigkoop en infrastructuurinvesteringen.

Belangrijke methodologische kenmerken zijn:

• Endogene Infrastructuurmodellering: Het model optimaliseert de implementatie van ongecontroleerde, V1G-, en V2G-laadinfrastructuur simultaan, waardoor ze kunnen concurreren op basis van systeembehoeften.
• Mobiliteitsintegratie: Landspecifieke plug-in tijdreeksen worden gegenereerd met behulp van een aangepaste versie van het RAMP-mobiliteitsmodel, waarbij rekening wordt gehouden met batterij State-of-Charge (SoC) beperkingen en verbindingskansen.
• Scenario Dimensies: De studie verkent drie dimensies:
  1. Laadflexibiliteit: Ongecontroleerd, V1G (prijsresponsief) en V2G (bidirectioneel).
  2. Netuitbreiding: Beperkte, matige en onbeperkte grensoverschrijdende transmissiecapaciteiten (gebaseerd op ENTSO-E 2040 projecties).
  3. Infrastructuurkosten: Scenario's variërend van Kost-Hoog tot Kost-Nul.
• Voertuigrepresentatie: Elektrische voertuigen worden gemodelleerd als een combinatie van opslag- en conversietechnologieën, waarbij batterijcapaciteiten worden geaggregeerd per transportsegment en land. Het model houdt ook rekening met alternatieve aandrijflijnen (FCEV's, ICEV's) om een robuuste vergelijking te garanderen.
• Berekening van Voordelen: Systeemvoordelen worden gedefinieerd als reducties in de totale energiesysteemkosten ten opzichte van de ongecontroleerde baseline. V2G-inkomsten worden afgeleid van marktarbitrage met behulp van de duale variabelen van het model als proxies voor de groothandelsprijzen van elektriciteit.

Belangrijkste Resultaten

• Systeemkostenbesparingen: V1G vangt het merendeel van de systeemkostenbesparingen op, wat de totale energiesysteemkosten vermindert met 19,4–42,4 miljard € per jaar (2,2–4,5%). In tegen plaats biedt V2G slechts marginale extra systeembesparingen, variërend van nul tot 2,5 miljard € per jaar.
• Infrastructuurvereisten: V1G vermindert de pieklaadbehoefte aanzienlijk, van 281–284 GW (ongecontroleerd) naar 73–94 GW. V2G-implementatie verhoogt de infrastructuurbehoeften licht naar 76–116 GW om ontlaadcapaciteiten te ondersteunen, maar volledige bidirectionele implementatie is niet kosteneffectief; slechts een deel van het net vereist V2G-upgrades.
• V2G Marktwaarde: Hoewel de systeemkostenbesparingen van V2G marginaal zijn, genereert het aanzienlijke inkomsten op de balansmarkt van maximaal 6,4 miljard € per jaar. Voor EV-eigenaren compenseren deze inkomsten grotendeels de verhoogde elektriciteitskosten die gepaard gaan met V2G-werking, wat resulteert in gemiddelde laadprijzen van 41–59 € MWh⁻¹ vergeleken met 84–111 € MWh⁻¹ in ongecontroleerde scenario's.
• Determinanten van V2G-implementatie: Optimale V2G-implementatie wordt primair gedreven door de prevalentie van fotovoltaïsche (PV) opwekking en beperkte netuitbreiding. V2G is het meest kosteneffectief in PV-gedomineerde systemen waar grote intra-dag prijsverschillen arbitragekansen creëren. In systemen met overvloedige wind- of waterkrachtbronnen, of waar de netuitbreiding onbeperkt is, is de V2G-benutting beperkt of afwezig.
• Landspecifieke Variabiliteit: Laadeisen variëren aanzienlijk per land, van 0,17 tot 2,81 kW per voertuig. Landen met wind/waterkracht-gedomineerde systemen (bijv. Noorwegen, VK) hebben minder capaciteit nodig (<0,5 kW/voertuig) vanwege de beperkte economische waarde van load shifting, terwijl PV-rijke landen er meer baat bij hebben.
• Verplaatsing van Opslag: Slim laden (V1G en V2G) vermindert de behoefte aan stationaire batterijopslag aanzienlijk. In scenario's met beperkte transmissie en ongecontroleerd laden bereikt de opslagbehoefte 874 GWh, terwijl deze naar nul daalt wanneer slim laden en netuitbreiding worden ingezet.

Betekenis en Claims
Het artikel stelt dat uniforme EU-brede laadinfrastructuurdoelstellingen het risico lopen de behoeften in sommige regio's te overschatten terwijl ze de voordelen van slim laden in andere regio's beperken. De auteurs betogen dat:

1. V1G een "No-Regret" Optie is: V1G moet prioriteit krijgen omdat het het merendeel van de systeemvoordelen ontsluit en de piek-infrastructuurvereisten vermindert.
2. Context-afhankelijke V2G Waarde: V2G is economisch aantrekkelijk onder specifieke omstandigheden: PV-gedomineerde systemen met aanzienlijke intra-dag prijsvolatiliteit, beperkte alternatieve flexibiliteit, of vertraagde netuitbreiding.
3. Beleidsimplicaties: Planning moet dynamisch zijn en in lijn zijn met nationale energiesysteemkenmerken in plaats van vaste benchmarks. Coördinatie van de implementatie van V1G en V2G kan de totale systeemkosten verlagen, druk op andere delen van het energiesysteem (zoals stationaire batterijen en regelbare generatie) verlichten en de noodzaak voor extra transmissie-uitbreiding beperken.
4. Methodologische Bijdrage: Door de kosten van infrastructuur en investeringsbeslissingen te endogeniseren, biedt de studie een realistischere beoordeling van de concurrentie tussen laadmodi, waarmee de eerdere overschattingen van het V2G-potentieel die voortkwamen uit het weglaten van infrastructuurkosten, worden gecorrigeerd.

De studie concludeert dat hoewel V2G waardevolle marktinkomsten biedt voor EV-eigenaren, de rol ervan in het verlagen van de totale systeemkosten secundair is aan V1G en sterk afhankelijk is van de specifieke structuur van het nationale energiemix.