Impact of Work Schedule Flexibility on EV Hosting Capacity: Insights from Analyzing Field Data

Dit onderzoek toont aan dat het slim combineren van werkroostervariabiliteit met dakhuiszonnepanelen de capaciteit van transformatoren voor het opladen van elektrische voertuigen aanzienlijk kan vergroten en zo de netbelasting effectief helpt beheersen.

De kern

Stel je voor dat je elektriciteitsnetwerk een grote, drukke supermarkt is. De transformator (het "hulpstuk" dat de stroom voor een wijk regelt) is de kassa. De elektrische auto's (EV's) zijn de klanten die boodschappen doen (opladen), en de zonneweetjes op de daken zijn gratis snacks die de supermarkt overdag gratis aanbiedt.

Dit artikel van onderzoekers van de Arizona State University onderzoekt hoe we deze supermarkt kunnen laten draaien zonder dat de kassa overbelast raakt, terwijl steeds meer mensen een elektrische auto kopen.

Hier is de uitleg in simpele taal, met een paar creatieve vergelijkingen:

1. Het Probleem: De Kassa staat in de file

Vroeger laadden mensen hun auto's op wanneer ze thuis kwamen van werk (rond 18:00 uur). Dat is precies hetzelfde moment dat iedereen de koelkast volstopt en de tv aanzet.

• Het gevolg: De kassa (de transformator) krijgt te veel klanten tegelijk. Het wordt overbelast, net als een verkeersfile op een brug die te smal is.
• De oplossing: We moeten de klanten verspreiden over de dag. Maar hoe?

2. De Nieuwe Wijk: "Werken" is veranderd

Vroeger was het ritme simpel: 9 tot 5 op kantoor, daarna thuis. Maar nu hebben we drie soorten werknemers:

1. De Kantoorwerker: Gaat elke dag naar kantoor. Thuis is hij pas laat.
2. De Hybride Werknemer: Gaat een paar dagen naar kantoor, maar werkt ook thuis (bijv. maandag en vrijdag).
3. De Thuiswerker: Werkt elke dag thuis.

De onderzoekers zeggen: "Als we weten wie thuis is, kunnen we de auto's slimmer opladen!"

3. De Slimme Strategie: De "Zon-En-Chocolade" Regeling

Stel je voor dat de supermarkt overdag (wanneer de zon schijnt) gratis chocolade (zonne-energie) geeft.

• De oude manier: Mensen kwamen pas 's avonds, toen de gratis chocolade al op was. Ze moesten dan dure, ingekochte chocolade (stroom uit het net) kopen.
• De nieuwe manier: Als de thuiswerker of de hybride werknemer thuis is, kunnen ze hun auto opladen tijdens de zonneschijn.
  • De auto wordt dan een slimme batterij die de gratis zonne-energie opslaat in plaats van de dure avondstroom.
  • Dit voorkomt dat de kassa 's avonds overbelast raakt én dat er overdag te veel gratis energie de straat op wordt geblazen (teruglevering).

4. De Twee Manieren om te Plannen: "De Zekere Manier" vs. "De Kansberekening"

De onderzoekers hebben twee manieren bedacht om te berekenen hoeveel auto's er veilig opgeladen kunnen worden:

• De "Zekere Manier" (Robuust):
  • Analogie: Je bouwt een brug voor de ergste mogelijke situatie. Stel je voor dat iedereen tegelijkertijd zijn auto laadt, iedereen een enorme batterij heeft en iedereen een lange rit maakt.
  • Resultaat: Je bouwt een hele sterke brug, maar je laat maar weinig auto's erover. Het is veilig, maar niet efficiënt.
• De "Kansberekening" (Chance-constrained):
  • Analogie: Je bouwt een brug voor de meest waarschijnlijke situatie. Je weet dat niet iedereen tegelijkertijd een enorme rit maakt. Je neemt een klein risico (bijv. 5% kans dat het misgaat), maar dat is acceptabel.
  • Resultaat: Je kunt 50% meer auto's over die brug laten rijden dan bij de "Zekere Manier". Het is slimmer en gebruikt de capaciteit beter.

5. Wat vonden ze? (De Resultaten)

De onderzoekers keken naar 40 wijktransformators in Arizona en ontdekten het volgende:

• Flexibiliteit is goud waard: Als mensen thuis werken (zelfs maar één dag per week), kan de transformator 60% meer auto's aan dan wanneer iedereen alleen 's avonds laadt.
• Zonlicht helpt enorm: Wijken met zonnepanelen op het dak kunnen nog meer auto's aan, omdat de auto's overdag de gratis energie "opeten" in plaats van 's avonds de dure stroom te vragen.
• De "Gemengde" Wijk: In de echte wereld werken sommige mensen thuis, anderen niet. De onderzoekers maakten een model voor zo'n gemengde wijk. Het resultaat? Het werkt bijna net zo goed als een wijk waar iedereen thuis werkt.
• Het probleem van de "Terugstroom": Soms is er overdag zoveel zonnestroom dat het net "vol" raakt en de stroom terug de straat op duwt. Door auto's overdag op te laden (wanneer mensen thuis zijn), wordt dit probleem opgelost. De auto's fungeren als een stroomslurper die de overvloedige zonnestroom opvangt.

Conclusie in één zin

Door slim te plannen op basis van wie er thuis is en wanneer de zon schijnt, kunnen we veel meer elektrische auto's in onze wijken toelaten zonder dat de elektriciteitsnetwerken instorten of vervangen hoeven te worden. Het is alsof we de verkeersdrukte oplossen door de mensen te vragen om op een ander tijdstip te winkelen, in plaats van een nieuwe supermarkt te bouwen.

Technische samenvatting

Hier is een gedetailleerde technische samenvatting van het artikel "Impact of Work Schedule Flexibility on EV Hosting Capacity: Insights from Analyzing Field Data" in het Nederlands.

Titel: Impact van Flexibiliteit in Werkroosters op de Opnamecapaciteit voor Elektrische Voertuigen: Inzichten uit Analyse van Veldgegevens

Auteurs: Marco Iorio, Mohammad Golgol, en Anamitra Pal (Arizona State University)

---

1. Probleemstelling

De snelle toename van elektrische voertuigen (EV's) verandert de laadpatronen in woonwijken aanzienlijk. Omdat ongeveer 80% van het laden in de VS thuis plaatsvindt, kan ongecoördineerd laden tijdens piekmomenten distributietransformatoren overbelasten en de regionale netstabiliteit verstoren.
Bestaande oplossingen richten zich vaak op dagelijkse laadhorizons, waarbij wordt aangenomen dat een EV zijn volledige energiebehoefte binnen één dag moet vervullen. Dit negeert echter de realiteit dat EV's hun batterij vaak over meerdere dagen leegrijden. Daarnaast is er weinig onderzoek gedaan naar hoe de toenemende diversiteit in werkroosters (aanwezig, hybride, volledig op afstand) de flexibiliteit voor laden beïnvloedt en hoe dit gecombineerd kan worden met dak-PV (zonne-energie) om de opnamecapaciteit (Hosting Capacity - HC) van transformatoren te vergroten.

2. Methodologie

De auteurs hebben een nieuw optimalisatiekader ontwikkeld dat rekening houdt met wekelijkse werkroosters en PV-generatie.

• Data: Analyse gebaseerd op veldgegevens van 40 residentiële transformatoren (50 kVA) van SRP (Salt River Project) in Arizona, gedurende de maand juli.
• Werkmodellen: Drie specifieke werkarrangementen werden gemodelleerd met hiërarchische prioriteiten voor laadtijden:
  1. Aanwezig (In-person): Laden prioriteren op nachtelijke uren en weekenden (geen laden tijdens werkuren overdag).
  2. Hybride: Laden prioriteren op weekenden overdag, gevolgd door specifieke thuiswerk-dagen (WFH) overdag, en daarna nachtelijke uren.
  3. Op afstand (Remote): Laden prioriteren op werkdagen overdag (tijdens PV-productie), gevolgd door weekenden.
• Optimalisatieformuleringen:
  • Robuuste Formulering: Gaat uit van het "worst-case scenario" met extreme waarden voor batterijcapaciteit, start- en eind-SoC (State of Charge) en rijafstanden. Garandeert 100% voldoening aan constraints.
  • Chance-constrained Formulering: Een stochastische aanpak die scenario's (Monte Carlo simulatie) gebruikt. Constraints worden met een hoge waarschijnlijkheid (bijv. 95%) voldaan, maar niet gegarandeerd voor 100%. Dit vangt realistische onzekerheden beter op.
• Doelfunctie: Minimaliseren van de totale wekelijkse laadkosten voor alle EV's op een transformator, waarbij tijden met hogere prioriteit (bijv. zonnige uren) een lagere kostenfactor hebben.
• Beperkingen: Het model houdt rekening met minimale continue laadtijden, maximale schakelingen om batterijveroudering te voorkomen, en de totale capaciteit van de transformator (inclusief huishoudelijke last en omgekeerde stroomvloeien door PV).

3. Belangrijkste Bijdragen

1. Weekelijkse Optimalisatie: In plaats van dagelijkse horizons, wordt een weekhorizon gebruikt. Dit biedt meer flexibiliteit om energiebehoeften over meerdere dagen te spreiden, wat realistischer is voor moderne EV-gebruikers.
2. Integratie van Werkroosters: Het is de eerste studie die specifieke werkmodellen (aanwezig, hybride, remote) koppelt aan EV-ladingsstrategieën om de impact op de netcapaciteit te kwantificeren.
3. Vergelijking Robuust vs. Kansgebaseerd: Het biedt een directe vergelijking tussen conservatieve planning (robuust) en probabilistische planning (chance-constrained) met behulp van real-world data.
4. PV-Integratie: Het demonstreert hoe gecoördineerd laden overdag (tijdens PV-productie) kan helpen om omgekeerde stroomvloeien (reverse power flows) te verminderen.

4. Resultaten

De simulaties op de 40 transformatoren leverden de volgende inzichten op:

• Invloed van Werkroosters op Opnamecapaciteit (HC):
  • Aanwezig: Laagste HC (4-6 EV's voor robuust, 8-10 voor kansgebaseerd). Beperkt door gebrek aan laadflexibiliteit overdag.
  • Hybride: Significant verbeterd (5-9 robuust, 11-16 kansgebaseerd). Een enkele thuiswerkdag per week resulteerde in een toename van ongeveer 60% in potentie ten opzichte van het "aanwezig"-model.
  • Op afstand: Hoogste HC (6-12 robuust, 15-22 kansgebaseerd). Dit is een stijging van 40% ten opzichte van hybride en 100% ten opzichte van "aanwezig".
• Invloed van PV: Transformatoren met PV-aansluiting toonden consistent een hogere HC (≥30% hoger) voor hybride en remote modellen, omdat overtollige zonne-energie direct kan worden gebruikt voor laden.
• Robuust vs. Kansgebaseerd: De kansgebaseerde formulering ondersteunde consistent ongeveer 50% meer EV's dan de robuuste formulering. Dit suggereert dat een lichte relaxatie van de strengste constraints (toestaan van een klein risico) de capaciteit aanzienlijk kan vergroten.
• Omgekeerde Stroomvloeien: Gecoördineerd laden (vooral bij hybride en remote modellen) verminderde de omgekeerde stroomvloeien overdag aanzienlijk. Het "volledig remote" model elimineerde dit bijna volledig, maar bracht de transformator wel dichter bij zijn maximale capaciteit.

5. Betekenis en Conclusie

De studie concludeert dat de flexibiliteit in werkroosters een cruciale, maar onderbenutte bron is voor netbeheer.

• Netbeheer: Door slimme tarieven (TOU) te koppelen aan werkroosters en PV-generatie, kunnen nutsbedrijven de opnamecapaciteit van bestaande transformatoren aanzienlijk verhogen zonder directe hardware-upgrades.
• Beleid: De resultaten onderstrepen het belang van het ontwikkelen van vraagflexibiliteitsprogramma's die rekening houden met de demografische samenstelling van werkroosters in een wijk.
• Toekomst: Het model biedt een basis voor het identificeren van transformatoren die upgrades nodig hebben (bijv. transformator #7 in de studie) en toont aan dat dagelijkse beschikbaarheid van voertuigen voor laden essentieel is om de impact van zonne-energie op het net te balanceren.

Kortom, het combineren van wekelijkse laadplanning met werkroosters en zonne-energie biedt een kosteneffectieve strategie om de groei van elektrische mobiliteit te faciliteren zonder de netstabiliteit te compromitteren.