Elektrikli Araç Şarjının Şebekeye Etkisi ve Akıllı Şarj Çözümleri — Bölüm 3
Selamlar,
Serinin ilk bölümünde plug-in hibrit ve elektrikli araçların (PHEV) şarjı hakkında temel bilgileri, kavramları ve kullanılan standartları açıklamıştım. Ardından gelen ikinci bölümde sizlere uçtan uca bir şarj sisteminin bileşenlerini ve farklı yaklaşımları anlatmıştım. Bu bölümde ise artan elektrikli araç sayısı ile elektrik şebekesinde yaşanması muhtemel sorunlardan ve geliştirilen akıllı şarj çözümlerden bahsetmek istiyorum.
Önceki bölümler için;
Elektrikli araçlar (EV) ulaşım endüstrisinin çevresel dönüşümünde birçok avantaj sağlasa da EV’lerin yüksek oranda entegrasyonu ve bunun sonucunda oluşan şarj yüklerindeki artış, özellikle dağıtım sistemi üzerinde olumsuz etkiler yaratmaktadır. Daha önce de bahsettiğim gibi bir elektrikli aracın anlık güç talebi bir apartmanın toplam güç talebi kadar olabilmektedir. Standart ev yüklerine uygun olarak tasarlanmış dağıtım hatları için bu durum aşırı yüklenmeye neden olacak gibi.
Dağıtım sistemi perspektifinden bakarsak, artacak EV kullanımı gerilim dengesizliği, trafoların aşırı yüklenmesi, iletim sisteminde darboğazlar veya verimsizlikler oluşması gibi sorunları tetiklemektedir. Ayrıca, AC formdaki enerjinin doğrultulması ve ardından bir DC / DC dönüştürücü yoluyla farklı gerilim seviyelerine çevrilmesi sonucunda harmonik bozulmalar da meydana gelmekte ve bu durum dağıtım sisteminde güç kalitesi sorunları yaratabilmektedir. Elektrikli araç şarjı, teknik sorunların yanı sıra, enerji birim fiyatının yükselmesi gibi ekonomik sorunlara da neden olabilir [1].
EV Şarjının dağıtım sistemi üzerinde etkisi ve etki miktarını birkaç parametre belirlemektedir. Bu faktörler; [2] ye göre EV entegrasyon seviyesi, tüketici davranışları, dağıtım sistemi teknik özellikleri, hızlı şarj istasyonlarının sayısı ve şarj modlarının dağılımıdır.
EV Yüklerinin Etkileri Hakkında Çalışmalar
EV kullanımının dağıtım sistemine etkilerini araştıran birçok çalışma bulunmaktadır. Güzel bir örnek vermek gerekirse [3]’te Lillebo et. al. yaptıkları çalışmada bir Norveç dağıtım şebekesinde artan EV penetrasyon seviyelerinin etkilerini araştırdı. Çalışmaya göre; dağıtım şebekesi, gerilim kalitesinin korunması açısında %50 EV entegrasyonuna, öte yandan dağıtım sistemindeki en zayıf hattın gücüne göre sadece %20 EV entegrasyonuna imkan tanımaktadır [3].
Clement-Nyns ve Hansen’ın [4] çalışmasına göre, modellerindeki EV penetrasyonunun % 30'u, özellikle akşam pik saatlerinde, EN50160 kalite standartları sınırlarına yakın bazı gerilim bozulmalarına yol açmaktadır.
Türkiye için en kapsamlı çalışma Shura tarafından geçtiğimiz senelerde yapılmıştı. Shura’nın Türkiye’nin 8 pilot bölgesinde % 10 EV penetrasyonu için yaptığı çalışmada, koordine olmayan şarj süreçlerinde şebeke yükünde %12,5 artış olurken, akıllı şarj işlemlerinde bu oran % 3,5'e düşmektedir. Konu ile ilgilenen herkese raporu tavsiye ederim [5].
Sorunlara Çözüm Olarak Akıllı Şarj Yaklaşımları (Challenge Accepted)
Global Karbon hedeflerine ulaşmak için önümüzde kısa bir zaman ve yapılacak birçok şey ve çözülecek sorunlar var. EV perspektifinden bakarsak, 2030 ve 2050 senaryolarında araştırmalarda öngörülen sorunların üstesinden gelmek ve maksimum EV penetrasyonunu mümkün kılmak için farklı şarj yaklaşımları ve çözümleri geliştirilmiştir. İşin kitabını yazmış bir ekip [6]’da şarj yaklaşımlarını 4 temel başlıkta toplamış;
1. Kontrolsüz Şarj (Dump Charging)
Bu yaklaşımda EV’ler, diğer tüm cihazlar gibi normal yükler olarak kabul edilir ve herhangi bir kısıtlama veya teşvik olmaksızın serbestçe şarj edilmektedir. Şarj işlemi, EV şarj istasyonuna bağlandığında direkt olarak başlar ve bataryası % 100 Şarj Durumuna (SOC) sahip olduğunda veya prizden çıktığında şarjını bitirir. Bu modelde herhangi bir yük kontrolü bulunmamaktadır ve yaygın kullanılması durumunda bahsetmiş olduğum sorunlara neden olacaktır.
2. Değişken Zamanlı Tarifenin (ToU) Kullanımı
Tıpkı Dump Charging gibi EV kullanıcıları istedikleri zamanda araçlarını şarj edebilmektedirler. Fakat temel fark, enerji fiyatlarının zamana veya talep seviyesine göre değişken olmasıdır. Ben de dahil olmak üzere elektronik sayaç kullanan tüketiciler evlerinde 3 zamanlı tarife üzerinden faturalandırılmakta. Bu nedenle, EV sahiplerinin EV yüklerini düşük talep saatlerinde (genellikle 23:00–06:00 arası) şarj etmek için yoğun saatlerde kaydırmaları önerilir. Bu sayede kullanıcılar enerji giderlerini düşürürken dağıtım şebekesi de talebin en düşük olduğu periyotta elektrikli araç yüklerine maruz kalmaktadır. Ayrıca kullanımı en yaygın ve en basit koordineli şarj yöntemidir. Şayet basit bir zaman rölesi ile aracın şarjı gece tarifesine kaydırılabilir ya da çoğu akıllı şarj cihazı bir mobil app ile ayarlanabilmektedir.
Fakat bu yöntemin önemli dezavantajları da var. İlk olarak sistemin başarısı tamamen elektrikli araç sahibinin motivasyonuna ve önceliklerine bağlıdır. Ekonominin 4. prensibi olan PEOPLE RESPOND TO INCENTIVES koşula tamamen bağlıyız. Adam Smith’in bahsettiği piyasanın görünmez eli enerji sistemi için yeterince güvenilir mi bilemedim :)
Bir diğer konu ise bu yöntemin gerçekten istediğimiz şey olup olmadığı. Zaman tarifesi kullanıcılarının çoğu ucuz tarifenin başladığı hemen hemen aynı anda şarja başlaması bir anda yoğun bir yüklenmeye neden olabilir. Diğer bir açıdan, yenilenebilir enerji üretimi, özellikle güneş enerjisi üretimi nispeten düşük olduğundan, EV yüklerini yoğun olmayan zamanlara kaydırmak sürdürülebilir bir seçenek değildir. Sonuç olarak, yoğun olmayan zamanlarda EV yükleri, ekstra karbon emisyonlarına yol açan çoğunlukla fosil bazlı kaynaklar tarafından sağlanır [7]. Dolayısıyla günümüzü oldukça iyi bir şekilde kurtaran bu yöntem ileride daha büyük sorunlara da neden olabilir.
[ Buraya yazıyorum Doğukan dediydi olmasın :) ]
3. Koordineli Şarj Yöntemi (Smart Charging)
Smart kelimesinden sıkınlan benim gibi kişilerin tercih ettiği türden söyleyeyim, Coordinated Charging Dağıtım Sistemi Operatörleri (DSO’lar) ve EV Şarj Sistemleri arasındaki hiyeratik koordinasyona dayalı gelişmiş bir kontrol modelidir. Bu modelde ücretlendirme işlemi, sistem operatöründen gelen fiyat, komut veya talep sinyallerine bağlı olarak şarj işlemi gerçekleştirilir.
Veriye dayanan yönetim mimarisi sayesinde, koordineli şarjın yüksek pik talebin oluşmasını önlediği ve dağıtım sistemini koruduğu görülmektedir. Öte yandan bir önceki başlıkta bahsettiğim emisyon ve sürdürülebilirlik hususunda bu yöndem önemli bir anahtardır. Örneğin, elektrikli araç şarj işlemi öğlen vakitlerinde solar bazlı üretimin çok yüksek olduğu zamanlara kaydırılabilir ya da enerji açığı olduğu durumlarda şarj yükleri bir müddet kesilebilir. Bu sayede akıllı şarj sayesinde yenilenebilir enerjiden maksimum fayda sağlanabildiği gibi en önemli ihtiyaç olan esneklik konusunda çok iyi bir rezerv edinilmiş olur [8].
Akıllı şarj birçok çözüm ve fayda sağlasa da, uygulama için bazı gereksinimler vardır. Öncelikli olarak şarj istasyonunun haberleşebilir olması ve ortak kullanılan standartlarla (bunlara bir sonraki bölümde değinmek istiyorum) uyumlu olması gerekmektedir, şayet veri herşeydir. Öte yandan koordineli şarj bir çok paydaş ve trade off içeren bir yöntemdir. Bu yüzden teknik gereksinimlerinin yanı sıra, akıllı şarj politikaları ve teşvikler, akıllı şarjı gerçekleştirmenin temel unsurlarıdır. DSO’ların ana motivasyonu, talep tarafı yönetim yeteneklerini güçlendirmek ve gelecekteki senaryolara hazırlanmak iken, kullanıcıların ve diğer hizmet sağlayıcıların temel motivasyonu, hizmetten elde edilen finansal faydalardır. Her iki gruba adreslenen çözümler başarılı olacaktır [8,9]
4. Vehicle to Everything (V2X)
İşin zirvesine gelmiş bulunmaktayız. V2X yani Araçtan Her Şeye (genelde to grid olarak söylenir), elektrikli araçta depolanan enerjinin elektrik şebekesine, binaya, başka bir EV’ye veya diğer sistemlere yapılan enerji işlemlerini ifade eder. Daha önce de belirtildiği gibi, EV’ler mobil enerji depolama birimleri olarak kabul edilebilir. EV Şarj Cihazları, mimarilerine bağlı olarak tek yönlü veya çift yönlü olabilir. Böylece, EV batarya sistemleri sadece araca güç sağlamak için kullanılması dışında gerekli durumlarda şebekeye veya bir binaya güç sağlamak için de kullanılabilirler.
Kullanım alışkanlıkları, özel araçların çoğu zaman park halinde olduğunu ve bu süreçte herhangi bir işlevi olmadığını göstermektedir [5]. Bu durum sayesinde EV’ler koordineli olarak çalıştırılarak tıpkı şebeke ölçekli enerji depolama sistemleri gibi kullanılabilir. Çift Yönlü Elektrikli Araç Şarjı, güç kalitesi, dengesizliklerin yönetimi, talep yönetimi gibi birçok sorunu çözmek için büyük bir potansiyele sahiptir [7,10]
V2X modelinin belirtildiği gibi önemli avantajları olmasına rağmen, ivme kazanmasının önünde önemli teknik, ekonomik ve düzenleyici engeller de mevcut. İlk olarak, tek yönlü şarj cihazlarının yanı sıra bu sistemler gelişmiş güç elektroniği üniteleri, kontrol sistemleri ve haberleşme, sayaç eklentileri gerektirir. Bu konuya serinin ikinci makalesinde yer vermiştim, tekrar değinerek konu dışına çıkmak istemem. Bir diğer önemli husus ise bataryaların ömrünün kullanım dışı bir işlem için azaltılması. Sonuçta halihazırda insanlarda bir menzil kaygısı mevcutken ve bataryalar da henüz hala çok masraflıyken hem araç üreticilerinin hem kullanıcıların uzak durması çok doğal.
Fakat gerçekten öyle mi ?
Andreas ve Mattia’nın [11]’de açıkladıkları kapsamlı projelerine göre, her gün için yaklaşık 8 saatlik V2G frekans düzenleme hizmeti, yalnızca araç kullanmaya kıyasla 5 yıl sonra sadece yaklaşık % 8 ek bozulma sağlayacaktır. Bu çalışmada, Bornholm Adası’ndaki frekans düzenlemeleri için 10 kVA çift yönlü DC Şarj Cihazları kullanılmıştır [12]. Sonuçlar grafikte görülebilir; frekans düzenleme hizmetlerinin etkileri, sürüş döngüsünün neredeyse iki katıdır. Ancak, frekans regülasyonu toplam çalışma süresinin araç kullanım döngüsünden çok daha uzun olduğu ve bozunma etkisinin batarya yaşlanmasından çok daha düşük olduğu unutulmamalıdır.
Akıllı Şarj Yöntemlerinin etksine güzel bir örnek vermek gerekirse [13]’de yapılan kapsamlı araştırmaya göre küçük ölçekli, yüksek oranda yenilenebilir enerji tabanlı bir mikroşebekede herhangi bir şarj yöntemi olmaksızın % 52 EV entegrasyonu (yaklaşık 6500 araç) en yoğun saatteki toplam yükü % 85 artmaktadır. Çift tarife politikası, modellenen mikroşebekedeki yükü azaltmamış hatta % 96'ya çıkarmıştır. Şebeke yükündeki bu artış, koordineli şarj yöntemleriyle % 11'e kadar azaltılmıştır [13].
Bu yazımda sizlere akıllı şarj yöntemlerinden bahsederek sonunda uzun süredir beklettiğim yazımı tamamlamış oldum. Bahsettiğim gibi, global karbon hedeflerine ulaşmak için elektrikli araçların yaygınlaşması önemli. Fakat bu artışın yaratacağı sorunlarla karşılaşmadan önlemler almak zorundayız. Görüldüğü gibi koordineli şarj yöntemleri kendi sorunlarını çözmekle kalmayıp ayrıca sağladıkları esneklik ile beraber dağıtık enerji sisteminin ve karbon free sistemlerin önündeki engellere de anahtar olmakta. Umarım açıklayıcı bir yazı olmuştur.
Sevgiler…
REFERANSLAR
[1] O. Veneri, Technologies and applications for smart charging of electric and plug-in hybrid vehicles. 2016.
[2] F. Musavi, “Fundamentals of Chargers,” pp. 439–464, 2014.
[3] M. Lillebo, S. Zaferanlouei, A. Zecchino, and H. Farahmand, “Impact of large-scale EV integration and fast chargers in a Norwegian LV grid,” J. Eng., vol. 2019, no. 18, pp. 5104–5108, 2019.
[4] K. Clement-Nyns and Haesen Edwin, “The impact of charging plug-in hybrid electric vehicles on residential distribution transformers,” 2012 2nd Iran. Conf. Smart Grids, ICSG 2012, vol. 25, no. 1, pp. 371–380, 2012.
[6] IRENA (2019), Innovation outlook: Smart charging for electric vehicles, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi.
[7] Rajakaruna, S. & Shahnia, F., 2015. Plug-In Electric Vehicles in Smart Grids Charging Strategies. s.l.:Springer.
[8] J. Hildermeier, C. Kolokathis, J. Rosenow, M. Hogan, C. Wiese, and A. Jahn, “Smart EV Charging : A Global Review of Promising Practices,” pp. 1–13, 2019.
[9] C. King and B. Datta, “EV charging tariffs that work for EV owners , utilities and society,” Electr. J., vol. 31, no. 9, pp. 24–27, 2018.
[10] A. Sharma and S. Sharma, “Review of power electronics in vehicle-to-grid systems,” J. Energy Storage, vol. 21, no. August 2018, pp. 337–361, 2019.
[11] A. Thingvad and M. Marinelli, “Influence of V2G frequency services and driving on electric vehicles battery degradation in the Nordic countries,” 31st Int. Electr. Veh. Symp. Exhib. EVS 2018 Int. Electr. Veh. Technol. Conf. 2018, EVTeC 2018, 2018.
[12] P. Bach, A. Zecchino, A. Thingvad, P. B. Andersen, and M. Marinelli, “Suitability of Commercial V2G CHAdeMO Chargers for Grid Services Suitability of Commercial V2G CHAdeMO Chargers for Grid Services V2G hardware tests with local and remote control setup : assessing the performance for quality grid services,” 2018.
[13] J. A. P. Lopes, F. J. Soares, and P. M. R. Almeida, “Integration of electric vehicles in the electric power system,” Proc. IEEE, vol. 99, no. 1, pp. 168–183, 2011.
