Life cycle analysis of PV-assisted charging station

Abstract

Artan nüfus ve teknolojik gelişmeler nedeniyle enerji talebi gelişmekte olan ülkelerde artış göstermeye devam ediyor. Güçlü yükseliş trendleri de Türkiye ve Asya ülkelerinde kaydediliyor. Bu talebin karşılanmasında hidrokarbon bazlı fosil yakıtlar her zaman diğer birincil enerji kaynaklarından daha büyük bir paya sahip olmuşlardır. Bu durum da çevre kirliliği, yüksek emisyon ve küresel ısınma gibi sorunların ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Ulaştırma sektörü de bu oluşan durumun büyük bölümünü oluşturmaktadır. Günlük hayatımızda kullandığımız araçların neredeyse tamamı içten yanmalı motorlar ile kimyasal enerjiyi hareket enerjsine çevirir. Bu durum da hava ve gürültü kirliliğinin yanında zararlı gazların doğaya salınmasına sebep olur. Ancak elektrikli araçlar bu soruna bir çözüm olabilir.Elektrikli araçlar; doğası gereği düşük direkt emisyon değerine sahiptir. Çalışmaları daha sessizdir ve içlerinde bulunan elektrik motoru çok yüksek bir verimle çalışır. Tekerleklere iletilen mekanik güç; konvansiyonel araçlardaki gibi fosil yakıttan değil, günümüzde erişim olanağı yüksek olan elektrik gücünden karşılanır.Bunların yanında sonlu fosil yakıtlar, potansiyel petrol krizleri ve bu durumların uluslarası alanda ortaya çıkardığı siyasi anlaşmazlıklar, bu kaynaklara olan ilgi ve yatırımların daha çevreye duyarlı olan yenilebilir enerji kaynaklarına kaymasını sağlamaktadır.Güneş ve rüzgar gibi mevcut yenilenebilir enerji kaynakların süreksiz bir yapıda olmaları, büyük ölçekte enerji üretim olanakları için yüksek maliyet gerektirmeleri, emre amadelikleri yani anlık ihtiyaç anında kısa sürede talebi karşılama kapasitelerinin düşük olmaları, bu kaynaklar için dezavantaj olarak gözüküyor. Bu sebeple son yıllarda genelde bu kaynakların mevcut sistemlere entegre edilerek diğer enerji kaynakları ile hibrit bir yapı oluşturmaları sağlandı.Elektrikli araçların günlük ulaşım sistemine katılımının artırılması, sadece çevresel emisyonları ve şebeke etkilerini azaltmak için değil, aynı zamanda araç sahipleri ve araç şarj istasyonu sahipleri için daha fazla kar sağlamak için yeni fırsatlar getirebilir. Bu çalışmada da elektrikli araçların şarj işlemi için çevre dostu çözüm, en önemli konulardan biri olduğu için, tasarlanan istasyon da şebeke bağlantısının yanında güneş enerjisi kaynağını kullanacak şekilde tasarlanmıştır.Bu alanda son yıllarda, hem istasyon operatörü kısmında hem de elektrikli araç sahipliği kısmında maliyetleri minimize etme veya karın maksimize edilmesi amacıyla bir çok farklı şehir ve araç verisi ile bir çok çalışma ortaya konuldu. Bu çalışmada da İstanbul'da öngörülen halka açık bir şarj istasyonun kullanım ömrü boyunca oluşacak gelir, gider ve net bugünkü değerleri incelenerek operator açısından karın maksimize edilmesi amaçlandı.Bahsedilen elektrikli araç şarj istasyonu; harici depolama bataryası da içererek şarj istasyonunun planlanması için hibrid bir optimizasyon modeli önermektedir. Bu araç şarj istasyonu, hem şebekeden araca hem de araçtan şebekeye iki yönlü enerji transferi sağlar. Bu teknoloji, Vehicle-to-Grid (Araçtan-Şebekeye), V2G teknolojisi, elektrikli araçların akülerinde depolanan elektriğin yüksek talep anında şebekeye verilebilmesini sağlar. Talep düşük olduğunda araçlar normal şarj yapabilirler. Bu teknoloji ile EV sürücüleri şebekeye katkılarına bağlı olarak para kazanma fırsatına sahip olurlar. Diğer taraftan, bu depolama kapasitesi, şebeke operatörleri tarafından enerji talebi ve arzını dengelemek için kullanılabilir.Elektrikli araçların şarj işlemi için çevre dostu çözüm, en önemli konulardan biri olduğu için, tasarlanan istasyon da güneş enerjisi kaynağını kullanacak şekilde tasarlanmıştır.Bu modelde on araç kapasiteli bir elektrikli araç istasyonu, harici bir depolama bataryası, güneş panelleri ve şebeke bağlantısı bulunmakta. Şarj istasyonu kısmında; öncelikle Türkiye'deki şarj istasyonu kurulum ve işletmesi yapan E-şarj firmasından elektrikli araçların ortalama şarjlanma süreleri, şarj istasyonu güç değerleri, araçların batarya kapasiteleri ve istasyondaki araçların mevcut şarj seviyeleri ile temel bir veri seti oluşturuldu. Daha sonra bu veriler ile araçların saatlik güç talepleri ve diğer araç veya şebekeye aktarabilecekleri muhtemel enerji miktarları saatlik olarak hesaplandı. Aynı adımda; istasyonu kurulu olduğu öngörülen konum için ortalama saatlik ışınım ve hava sıcaklığı değerleri ile saatlik güneş enerjisi üretimi de ayrıca hesaplandı. Bir sonraki operasyonel senaryo adımında sistem; elektrikli araçların saatlik güç talebi, olası arz kapasitesi ve güneş enerjisinden üretilen güç arasındaki ilişkiyi kontrol ederek, bu şartlar altında şebekeden elektrik alımı, bataryada fazla enerjinin depolanması veya araçların fazla enerjisinin birinden diğerine aktarılması gibi kararları alır.Bu aşamada sistemde talep fazla olduğunda; gerekli enerji şebekeden veya harici bataryadan sağlanabilir. Aynı şekilde araçlardan deşarj edilebilecek enerji miktarında göre arz fazlası yaşandığında, bu enerji anlık elektrik fiyatına ve harici batarya kapasitesine göre şebekeye satılabilir veya depo edilebilir. Ayrıca elektrik fiyatı düşükse ekstra enerji şebekeden satın alınıp takip eden saatlerde oluşabilecek muhtemel talep için depo edilebilir.Sistemde temel olarak dört ana bileşen bulunur. Bunlar elektrikli araçların bulunduğu şarj istasyonu, elektrik şebekesi, güneş enerjisini elektrik enerjisine çeviren güneş panelleri ve harici depo amaçlı batarya. Daha sonra sistem içindeki dört ana kısmın temel teknik ve ekonomik kısıt ve parametreleri oluşturuldu. Sonuç olarak potansiyel operatör gelirini hesaplayabilmek için ekonomik faydaları değerlendiren bir model MATLAB ile geliştirildi.Daha sonra bu değişkenlerin birbirleri olan durumu farklı senaryolara göre incelendi. Bu aşamada iki adet senaryo oluşturuldu.Birinci senaryonun ilk kısmında; Türkiye'deki yönetmelik ve piyasa fiyatlarına uygun bir şekilde gerçek fiyat ve talep ile sistem çalıştırıldı. İkinci kısımda ise fiyatların Avrupa Birliği fiyatlarının altına düştüğü durumda oluşacak sonuçlar incelendi.İkinci senaryoda; sisteme etki eden fiyat parametreleri gelecekte oluşabilecek fiyatlar üzerinden hesaplandı. Bu senaryoda; daha önce Avrupa örneğinde oluşan piyasa fiyatlarının zaman içerisinde değişimi incelenerek, Türkiye'de oluşabilecek fiyatlar sisteme girdi olarak eklendi.İki senaryonun sonuçları karşılaştırılarak farklı elektrik satış fiyatları, park ücretleri ve şarj servis ücretleri gibi fiyatlarının değişiminin sistem üzerindeki etkileri incelenmiştir.

Due to increasing population and technological developments, the demand for energy continues to increase in the developing countries. Strong rising trends have been also recorded in Turkey and Asian countries. In response to this demand, hydrocarbon-based fossil fuels have always had a larger share than other primary energy sources. This causes problems such as environmental pollution, high emissions and global warming. Transportation sector forms large portion of this problem. But electric vehicles can be a solution to this problem. Increasing penetration of electric vehicles into daily transportation system can bring new opportunities not only to reduce environmental emissions and grid impacts but also more profit for vehicle owners and vehicle charging station owners. This study proposes a hybrid model of optimization for scheduling of a charging station using battery storage. Electric vehicle charging station offers bi-directional energy transfer both from grid to vehicle and from vehicle to grid. Vehicle-to-Grid (V2G) technology enables the electricity stored in the batteries of electric cars to be made available to the grid at times of high demand. When demand is low vehicles can perform regular charging. With this technology EV drivers will have opportunity to earn money depending upon their contribution to grid. On the other hand, this storage capacity can be used by grid operators to balance peaks and troughs of energy demand and supply.Because of environment friendly solution for the charging process of electric vehicles is one of the most important issues, the designed station is also intended to make use of solar energy source.This model has an electric vehicle station with ten vehicle-size, an external storage battery, solar panels and grid connection. In the charging station part, the hourly power demands of the vehicles and the possible energy amounts that they could transfer to the other vehicle or network were calculated on an hourly basis. Hourly solar power production was also calculated. Then system checks the relation between EV demand, possible supply and solar power which is called operational scenarios. According to the operation scenarios, decisions such as electricity purchase from grid, storing excess energy in battery or transferring excess energy of vehicles from one to another are taken. Then objective function and the basic technical and economic constraints and parameters of the four main parts of the system were established. As a result, a model that evaluates economic benefits to calculate potential operator revenue was developed with MATLAB.Then, the states of these variables were studied according to scenarios. Two scenarios were created at this stage.In the first part of the first scenario; the system was operated with the actual price and demand and market prices in accordance with the regulations in Turkey. In the second part, the conclusions that will arise when the prices fall below the European Union prices have been examined.In the second scenario; price parameters affecting the system are calculated based on future prices. In this scenario; changes in market prices that occurred in Europe was examined and prices may occur in Turkey was added as an input to the system.The results of two key case studies were compared to examine the impact on the system of changing prices such as different electricity sales prices, parking fees and charge service fees.