Villamos autók rendszerszintű szabályozási szerepkörei

Villamos autók rendszerszintű szabályozási szerepkörei
Polgári Beáta PhD hallgató, Dr. Farkas Csaba egyetemi tanársegéd
BME Villamos Energetika Tanszék
 
Bevezetés
 
A villamos autók használata során a megszokott, normálisnak tekinthető üzemállapotok a járművek mozgása, parkolása és töltése: az akkumulátor szemszögéből nézve a fenti sorrendben ekkor kisütés, használat nélküli állapot, illetve töltés történik. Kisütés során ebben az értelemben a jármű gyorsításához, mozgásának fenntartásához szükséges villamos energiát nyerjük az akkumulátorból, a villamosenergia-hálózattal ebben a működési fázisban tehát nincs kapcsolat (az akkumulátor feltöltése során természetesen van, ilyenkor terhelésként jelennek meg a hálózaton az autók). Elképzelhetünk azonban olyan üzemállapotot is, amikor az akkumulátorok kisütése történik, ugyanakkor mozgás nincs: ilyenkor a parkoló, töltőre csatlakozó jármű akkumulátorából villamos energiát táplálunk vissza a hálózatba. A szakirodalom ezt a folyamatot V2G-nek (Vehicle-to-Grid) nevezi, s a továbbiakban mi is így fogunk rá hivatkozni.
 
A visszatáplálás során tehát megfordul az energiaáramlás iránya (ha ezt az autóba és a töltőbe telepített teljesítményelektronika megengedi), lehetőség nyílik az akkumulátorokban eltárolt villamos energia felhasználására, az autók tehát energiatárolóként jelentkezhetnek a villamosenergia-rendszerben. A következőkben azt vizsgáljuk, hogy ezt az energiatárolási kapacitást milyen célokra lehet felhasználni a villamosenergia-rendszerben, hogyan lehet megvalósítani a szabályozását, valamint milyen eszközökkel lehet elérni, hogy a járművek tulajdonosai hajlandóak legyenek részt venni ebben a folyamatban.
 
Az aggregátor és szerepköre
 
Egyetlen autó hatása - mind töltési, mind visszatáplálási szempontból - elhanyagolható a villamosenergia-rendszerre nézve, hiszen teljesítményfelvétele és -leadása kismértékű. Ahhoz, hogy a teljes villamosenergia-rendszer számára mérhető hatást tudjunk elérni, szükség van a nagyszámú villamos autó együttes vezérlésére. A villamos autókat szabályozási szempontból így összefogó, új piaci szereplőnek a szakirodalom az aggregátor nevet adta. Ilyen szervezet a villamos autók kis száma miatt jelenleg nem üzemel, de a szerepét viszonylag jól definiálni lehet.
 
Az aggregátor lehetséges szerepköreit, a többi piaci szereplővel való kapcsolatát mutatja be vázlatosan az 1. ábra. Láthatjuk, hogy az aggregátor a villamos autók szempontjából központi szerepet kap:
  • a járműtulajdonosok felé neki kell képviselnie a szabályozási környezetet, s biztosítani a kapcsolattartást,
  • a villamosenergia-rendszer (így az elosztói engedélyesek és a rendszerirányító) felé az aggregált villamos autó teljesítménnyel, illetve tárolókapacitással gazdálkodó, azt felügyelő szervezeti egységként jelentkezik,
  • a járművek kiszolgálásában érintett további társaságokkal (parkoló-, lízingelő, stb. vállalatok) tartja a kapcsolatot.
1. ábra: Az aggregátor lehetséges szerepköre (folytonos vonal: energiaáramlás, szaggatott vonal: pénzáramlás)
 
Az aggregátor tehát egyszerre felelős a fizikai és a pénzügyi tranzakciókért. Mivel hálózattal nem rendelkezik, ezért a konkrét teljesítményáramlások felügyelete nem az aggregátor feladata, de magának a teljesítményáramlásnak a nagyságát és irányát befolyásolja. Természetesen mindezek  megvalósítása a jelenlegi piaci szereplőktől, valamint a szabályozási környezettől fog függeni, a szabályozás kidolgozása a V2G koncepcióra jelenleg nem terjed ki.
 
Az aggregált villamos teljesítmény felhasználási lehetőségei
 
Az aggregátor segítségével tehát lehetőség nyílik nagy számú villamos autó együttes szabályozására. Az így rendelkezésre álló teljesítményt, illetve tárolókapacitást többféle célra lehet felhasználni:
  • hasznos lehet a változékonyan termelő, megújuló energiaforrásokat használó lakossági kiserőművek által előállított villamos energia tárolására;
  • rendszerszinten az éjszakai időszakra megfelelő vezérléssel áttolt villamos autó töltés a rendszerterhelésben jelentkező völgyet valamilyen mértékben fel tudja tölteni;
  • hasonlóképpen, a nappali csúcs esetén a villamos autók akkumulátoraiból történő visszatáplálás segítségével a tervezett igényhez képesti nagyobb fogyasztás esetén fedezni tudjuk a szükséges plusz teljesítményt, így nincs szükség a tartalékok indítására (ezt és az előző esetet illusztrálja a 2. ábra);
  • az előző két pontban említettek tulajdonképpen a rendszerszintű fel- ill. leszabályozást jelentik: felszabályozás esetén nincs elegendő termelés, így ilyen esetben a villamos autók visszatáplálásos üzemmódja alkalmazható, míg leszabályozás esetén az aktuális termelés több, mint a fogyasztás, így ilyenkor a villamos autóknak töltési parancsot adhatunk ki, ezáltal megnövelve a fogyasztást a rendszerben. A szabályozás segítségével a rendszerfrekvenciát tudjuk befolyásolni, a villamos autók segítségével így tulajdonképpen frekvenciaszabályozást tudunk megvalósítani.
2. ábra: Példa a hazai tény és terv rendszerterhelés eltérésére (forrás: www.mavir.hu)
 
Természetesen ahhoz, hogy villamos autók segítségével ilyen szabályozásokat lehessen megvalósítani, szükséges a megfelelő töltő infrastruktúra, a legalább kritikus mennyiségű villamos autó, továbbá a tulajdonosok hajlandósága arra, hogy autójukat úgymond az aggregátor rendelkezésére bocsássák. Mindezen felül a piaci környezetben való működés miatt, bár a technológia a fentebbieknek megfelelően sok előnyt biztosít, az árazás jelentősen befolyásolhatja alkalmazhatóságát.
 
A nagyvilágban vannak már próbálkozások a V2G megvalósítására:
  • Dániában az EDISON (Electric vehicles in a Distributed and Integrated market using Sustainable energy and Open Networks) projektben valósítottak meg kísérleti V2G-t. A dán Bornholm szigeten ugyanis a szélerőműveket túl nagy termelés esetén le kell kapcsolni a hálózatról; ehelyett azonban a túltermelést az elektromos autók akkumulátorainak töltésére szeretnék használni. Így a rendszerbe integrálható elektromos autók és szélerőművek száma is nőhet.
  • Texasban valósult meg 2014-ben az első autonóm frekvenciaszabályozás a Southwest Research Institute vezetésével. Egy teherautó-flottával valósították meg az elektromos járművek aggregálását. A kísérleti projektben elérték, hogy a frekvencia csökkenése esetén a rendszer letiltja az akkumulátorok töltését.
  • Colorado államban, a Fort Carson erődnél 2013-ban a katonai posta tartalék energiaforrásként használta a villamos autóik akkumulátorait.
Az elektromos autók terjedésének ösztönzői
 
Ahhoz hogy kellő mennyiségű tárolókapacitás álljon rendelkezésre a szabályozáshoz, az elektromos autók terjedését ösztönözni célszerű. Erre a célra következő eszközöket alkalmazzák, alkalmazták szerte a világban:
  • adókedvezmények – pl. Németország, Ausztria,
  • ÁFA kedvezmények,
  • direkt dotáció a hagyományos belső égésű motoros járművekhez képest magasabb beruházási költség miatt – pl. Japánban alkalmazzák,
  • a buszsáv használatának engedélyezése – pl. Norvégiában, de ott olyannyira megnőtt az elektromos autók száma, hogy dugók alakultak ki a buszsávban,
  • mentesség dugódíj alól,
  • útdíjkedvezmények,
  • ingyenes parkolási lehetőség, legalábbis a töltés idejére (amíg csatlakoztatva van a jármű),
  • forgalom elől elzárt területek használata,
  • megfelelő jogi szabályozással (pl. a töltőkkel kapcsolatos villamosenergia-kereskedelemre vonatkozóan).
Egyes kedvezményekre való jogosultság jelzéséhez (pl. útdíj, buszsáv) zöld rendszám is párosulhat.
 
A fentiek mellett természetesen az Európai Unió előírásai is segítik az elektromos autók terjedését a 2014/94/EU irányelven keresztül, amely az alternatív üzemanyagok infrastruktúrájának bevezetéséről szól, erre irányuló elemzés és terv kidolgozására szólítja fel a tagállamokat. Célja, hogy 2020-ig kiépüljön a városias területeken a megfelelő, szabványos infrastruktúra, megfogalmazzon 2020-ra, 2025-re és 2030-ra célokat a terjedéssel kapcsolatban. Hazánkban a Jedlik Ányos Terv keretében szintén készült ilyen elemzés és terv kidolgozása.
 
A fentieken felül természetesen maga a technikai fejlődés is hozzájárul az elektromos autók terjedéséhez, mind könnyebb, olcsóbb, nagyobb hatótávú autókkal, elsősorban azonban az akkumulátortechnológia fejlesztései révén.
 
Nemzetközi tapasztalatok
 
A következőkben körképet adunk arról, hogy a világ többi részén hogyan alakul a villamos autók elterjedtsége, valamint milyen ösztönzőkkel próbálják segíteni terjedésüket. Ebből az összehasonlításból ki fog derülni az is, hogy milyen problémákkal szembesülhetünk a tervezett vagy már be is vezetett ösztönzőkkel kapcsolatban.
 
Norvégia
  • Adókedvezményben részesülnek az elektromos járművek, de gyors terjedésük miatt már a fokozatos visszavezetését fontolgatják.
  • Az EV ÁFA-mentességet is élvez.
  • A buszsáv használata is engedélyezett, de már dugók alakulnak ki a buszsávban, ezért ez az ösztönző is csak korlátozott ideig javasolt.
  • A kompon ingyen szállítják az elektromos járműveket, csak az utasok után kell fizetni. A kompüzemeltetők azonban panaszkodnak a bevételcsökkenésük miatt.
  • Az eddigi ingyenes parkolást elkezdték korlátozni, mert már nehéz parkolóhelyet találni.
  • A tisztán elektromos autók a jellemzőek, nagyon kevés a hibrid, mert az előbbieken nagyobb volt a támogatás.
  • A háztartások 40%-ában a második autó elektromos.
  • Ingyenes töltőállomásokkal is ösztönözték az EV-k terjedését.
  • Alacsony az EV-re a regisztrációs díj, mentesülnek útdíj-fizetés alól.
  • A hivatali elektromos autók után 50%-os adókedvezmény jár.
  • A közszférában támogatják az elektromos autók terjedését.
Japán
  • Egyrészt adókedvezmények jellemzőek – üzembe helyezési illeték alól és súlyadó alól mentes.
  • Közvetlenül támogatják az elektromos autók vásárlását úgy, hogy az elektromos és a hagyományos járművek közti árrést térítik, de van maximum támogatás járművenként.
  • A legtöbb gyorstöltővel rendelkezik, mert a töltőállomás telepítési költségének felét az állam fedezi, de ez is maximálva van.
Hollandia
  • A Green Deal program keretében olcsóbb időszakban töltenek és innovációs voucher-eket használnak, amivel támogatják a kutatás-fejlesztést is.
  • Adókedvezmények is vannak – névátírási és környezetvédelmi adókedvezmény.
  • Olcsóbb a lízingelése, van elektromos autó kölcsönző.
  • Támogatják fuvarozásra, reptéri taxiként, szemétszállításhoz.
Észtország
  • Országos infrastruktúra kiépítésén dolgoznak és a minisztérium 507 db Mitshubishi iMiev autót tesztel a szén-dioxid kvótából fedezve.
Írország
  • Tisztán elektromos (BEV) és plug-in-hibrid (PHEV) vásárlási kedvezmény és regisztrációs adó jóváírás kérhető.
Ausztria
  • Közvetlen támogatás elektromos autó vásárlásra, melynek mértéke nagyobb tisztán elektromos autóknál illetve megújuló energiával való töltés esetén.
  • A széndioxid-kibocsátáson alapuló díjat nem kell fizetni utána.
  • Tartományonként ezen felül eltérő kedvezmények adhatók.
Tarifális ösztönzés, elszámolás
 
A villamos autók töltése kapcsán a normál tarifán kívül a következő tarifákról érdemes beszélni:
  • zónaidős tarifa (angol terminológiával Time of Use, avagy ToU tarifa);
  • a szabályozásban való részvételért járó plusz ösztönző (demand tariff);
  • általános kedvezményes tarifa a szabályozásban való részvételért (interruptible tariff).
A zónaidős tarifa előnye, hogy a háztartásokban elegendő lehet egyetlen okos mérő, amely képes a zónaidők megkülönböztetésére. Az elektromos autóhoz külön kedvezményes tarifájú mérő létesítése nem célszerű, mert az elektromos autó nem fixen csatlakozik a mérőhöz, mint a „B” tarifa esetén az elektromos hőtárolós bojlerek, így nehezen lenne ellenőrizhető, hogy a fogyasztó kizárólag az elektromos autó villamosenergia-igényét fedezi-e a kedvezményes tarifát biztosító mérőn keresztül. Több zónaidős tarifarendszer azért is indokolt, mert a hálózati szempontokat figyelembe véve a fogyasztókat arra kellene ösztönözni, hogy lehetőleg a mélyvölgy időszakban töltsék az elektromos járműveiket. Más elektromos háztartási fogyasztót is erre a zónás tarifájú mérőre kötni nem probléma, sőt, egyéb, nem vezérelt fogyasztás völgyidőre tolása is ösztönözhető ezáltal. A több zónaidő önmagában viszont nem ösztönzi a fogyasztót, hogy szabályozásban vegyen részt. Erre alkalmas lehet egy alacsonyabb tarifájú rendszer (akár a zónaidők megtartásával) vagy a részvétel egyösszegű díjazása (esetleg a reagálás számának függvényében). A rendelkezésre állás ellenőrzése viszont nehézkes. Például le irányú szabályozójel esetén lehet, hogy az autó nincs is csatlakoztatva, vagy csatlakoztatva van, de nem tölt, mert az akkumulátor fel van töltve. A sikeres reagálás definiálható esetleg úgy, hogy ha nem történik a szabályozással ellentétes irányú energiaáramlás, akkor az autó „követte a szabályozó jelet”.
 
A vezérlésben vagy szabályozásban való részvétel nehézségei
 
A szabályozáshoz szükséges infrastruktúra kiépítésén és a töltés helyének változásán túl nehézséget jelent, hogy a következő töltési módok várhatóak, amelyek közül nem mindegyik alkalmas a szabályozásban való részvételre:
  • A nagy forgalmú főutak mentén villámtöltők (kb. 50 kW) létesítése célszerű, mert ilyen helyeken a felhasználó elvárása a minél gyorsabb töltés. Mivel a villámtöltés 20-30 percet is igényelhet, azonnal elvárt a töltés megkezdése, nincs helye vezérléssel a terhelés elhalasztásának, sem hálózatba való ideiglenes betáplálással a töltési idő növelésének.
  • Munkahelyi környezetben gyors töltők (7,4-22 kW) várhatóak, melyek körülbelül 2-3 óra alatt töltenek fel egy lemerült akkumulátort. Itt kis tér lehet a töltés vezérlésére.
  • Az otthoni töltést (jellemzően 3,7 kW) normál, lassú töltők jellemzik majd várhatóan 8-10 óra töltési idővel. Az éjjeli töltés lassú töltőkkel azonban nem csak magán töltőkön képzelhető el, hanem nyilvános, utcai töltőkről is. Visszatáplálás elsősorban itt képzelhető el.
  • Bár ma az akkumulátorcserélős töltőállomások nem népszerűek, V2G szempontból ideálisak lennének, hiszen nem közvetlenül a tölteni kívánó autó akkumulátorát használnák szabályozási célokra, hanem a cserélő állomáson lévő tartalék akkumulátorokat, a töltési időt közvetlenül így nem befolyásolva (természetesen közvetett befolyásolás ekkor is van, hiszen a készlet rendelkezésre állása korlátozva lesz a szabályozás által).