Demand Response and Energy Resilience Through Electric Vehicles - Advanced Modelling Techniques and Economic Implications

Thumbnail Image
Files
isbn9789526419831.pdf (2.89 MB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2024-09-13
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2024
Department
Konetekniikan laitos
Department of Mechanical Engineering
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
74 + app. 54
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 173/2024
Abstract
The energy transition, a historical shift towards renewable energy to combat climate change, introduces significant challenges, for instance, for power grid stability due to the intermittent nature of renewables. This increased variability, along with decreased possibilities for power generation regulation, necessitates an increase in flexibility from novel sources. Flexibility of electricity use, that is, the intentional adjustment of consumption based on external signals, is called demand response. One of the key components of the energy transition is the electrification of transportation. Large-scale adoption of electric vehicles can result in additional stress for power grid balancing, however, through demand response, the growing electric vehicle fleets can become an important source of the much-needed flexibility and improve energy resilience. The opportunities enabled by intelligent control of electric vehicle charging extend beyond power grid balancing, offering significant benefits for a diverse range of stakeholders. For households and individual consumers, participation in demand response can lead to considerable financial benefits and reductions in electricity costs. These advantages are further amplified through adoption of bidirectional electric vehicle charging, which, beyond financial savings, can improve household energy resilience and enable self-sustainment during power outages. This dissertation explores the multifaceted benefits and implications of electric vehicle demand response and bidirectionality focusing especially on the economic implications on the national and household levels, and on the novel utilization of electric vehicles in power outage self-sustainment. To achieve these objectives, this dissertation introduces several novel methodologies based on multivariate copulas and linear programming for event-based electric vehicle charging, demand response, and outage self-sustainment modelling. Based on the findings, the rapidly growing electric vehicle fleet can be expected to become a major source of flexibility and demand response, offering substantial benefits for power grid stability, and presenting significant economic potential. For households, utilization of electric vehicles in demand response can already yield substantial cost savings, with highest annual savings gained through bidirectional operation. Moreover, bidirectional electric vehicle charging is found to be extremely effective in sustaining household electricity use during power outages. This improvement in household energy resilience can act as a significant non-monetary incentive for bidirectional charger adoption.

Energiamurros luo merkittäviä haasteita esimerkiksi sähköverkon vakaudelle uusiutuvien energialähteiden vaihtelevan luonteen vuoksi. Vaihtelevan tuotannon lisääntyminen edellyttää aiempaa laajempaa joustavuutta sähköverkon tehotasapainon ylläpitämiseksi. Sähkönkäytön joustavuutta eli tarkoituksellista kulutuksen säätämistä ulkoisten signaalien perusteella kutsutaan kysyntäjoustoksi. Liikenteen sähköistyminen on tärkeä osa energiasiirtymää, mutta sähköautokannan laajamittainen kasvu voi aiheuttaa lisäongelmia sähköverkon tehotasapainolle. Hyödyntämällä kysyntäjoustoa on kuitenkin mahdollista minimoida nämä mahdolliset haitat ja sähköautokannasta voi muodostua tärkeä tulevaisuuden sähköjärjestelmien edellyttämä joustavuuden lähde. Sähköautojen kysyntäjouston hyödyt eivät rajoitu pelkästään sähköverkkojen tasapainotukseen, vaan kysyntäjousto mahdollistaa monenlaisia etuja eri sidosryhmille. Esimerkiksi kotitalouksille ja yksittäisille kuluttajille kysyntäjousto antaa erinomaisen mahdollisuuden pienentää sähkölaskuja. Sähköautojen kaksisuuntainen lataus mahdollistaa aiempaa suuremmat säästöt ja parantaa energiaresilienssiä esimerkiksi sähkökatkojen aikaisen sähkönkäytön kautta. Tämä väitöskirja tarkastelee sähköautojen kysyntäjouston ja kaksisuuntaisen latauksen hyötyjä ja mahdollisuuksia keskittyen erityisesti kansallisen ja kotitaloustason taloudellisiin vaikutuksiin sekä sähkökatkojen välttämiseen. Näiden tavoitteiden saavuttamiseksi väitöskirja esittelee useita uusia monimuuttujakopuloihin ja lineaariseen ohjelmointiin perustuvia tapahtumaperusteisia sähköautojen lataus-, kysyntäjousto-, ja sähkökatkomallinnusmenetelmiä. Tulosten perusteella nopeasti kasvavasta sähköautokannasta tulee muodostumaan merkittävä kysyntäjouston lähde, joka tarjoaa merkittäviä etuja sähköverkon vakaudelle ja jolla on merkittävä taloudellinen potentiaali. Kotitalouksille sähköautojen kysyntäjousto voi jo nyt tuoda huomattavia kustannussäästöjä, mutta suurimmat vuosihyödyt tullaan saavuttamaan kaksisuuntaisella latauksella. Lisäksi kaksisuuntainen lataus on erittäin tehokas keino parantaa kotitalouksien energiaresilienssiä ja ylläpitää sähkönkäyttöä sähkökatkojen aikana. Kaksisuuntaisen latauksen mahdollistama sähkökatkojen välttäminen voi toimia merkittävänä ei-rahallisena kannustimena kaksisuuntaisten latureiden käyttöönotolle.
Description
Supervising professor
Lahdelma, Risto, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
Thesis advisor
Lahdelma, Risto, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
Keywords
electric vehicle, demand response, energy resilience, power outage, copula, modelling, optimization, sähköauto, kysyntäjousto, energiaresilienssi, sähkökatko, kopula, mallinnus, optimointi
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Einolander, Johannes; Lahdelma, Risto. 2022. Multivariate copula procedure for electric vehicle charging event simulation. Energy, 238 A, 121718.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202109028844
    DOI: 10.1016/j.energy.2021.121718 View at publisher
  • [Publication 2]: Einolander, Johannes; Lahdelma, Risto. 2022. Explicit demand response potential in electric vehicle charging networks: Event-based simulation based on the multivariate copula procedure. Energy, 256, 124656.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202208104630
    DOI: 10.1016/j.energy.2022.124656 View at publisher
  • [Publication 3]: Einolander, Johannes; Kiviaho, Annamari; Lahdelma, Risto. 2023. Impact of V2G, V2H and FCR to Electricity Costs of Households with Varying Primary Heating Sources. In 2023 IEEE 26th International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC), Bilbao, Spain, 24.–28.9.2023, pp. 3323–3328.
    DOI: 10.1109/ITSC57777.2023.10422255 View at publisher
  • [Publication 4]: Einolander, Johannes; Kiviaho, Annamari; Lahdelma, Risto. 2024. Power outages and bidirectional electric vehicle charging: Simulation of improved household energy resilience in subarctic conditions. Energy and Buildings, 309, 114055.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202403202875
    DOI: 10.1016/j.enbuild.2024.114055 View at publisher
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-1983-1
Collections
[diss] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG