Teknisk notat Dok. ansvarlig: TWE Sekretær: SLS Sagsnr.: s2018-584 Doknr: d2019-500-22.0 Udgivelsesdato: 06-05-2019 Elforsyning til bilbyer Introduktion Mulighederne og udfordringerne skal identificeres Formålet med dette notat er at give et klart billede af, hvad elektricitetsbehovet vil være i områder med mange bilforhandlere, de såkaldte bilbyer. Analyserne i notatet er bygget på en konkret case i Risskov samt omkostnings- og netkapacitetsdata fra 7 repræsentative netselskaber. Analyserne vil identificere nogle af de muligheder og udfordringer, vi vil opleve i bilbyer, når bilforhandlernes tilslutningsbehov stiger signifikant. Stigningen i effektbehovet forventes at være eksplosiv, helt op til en 9-dobling fra 2019 til 2025. Desuden identificerer notatet de tekniske og regulatoriske udfordringer, der skal overvindes for at elektrificeringen af transport ikke bremses. Hvordan tilsluttes forbrug til elnettet? Tilslutning af forbrug til det kollektive elnet sker på én af følgende måder: 1. Tilslutning med fuld netadgang 2. Tilslutning med begrænset netadgang Ved tilslutning af forbrug med fuld netadgang sikres forbrugsanlægget en permanent og uhindret adgang til elnettet under normale driftsforhold. Under unormale driftsforhold, herunder fejl-, netopbygning- og vedligeholdelses-situationer betragtes forbrugsanlægget som værende i N-1- situationen. Ved tilslutning af forbrug med fuld netadgang betaler kunden et standardtilslutningsbidrag, der varierer i størrelsen afhængigt af tilslutningspunktet og det købte leveringsomfang. Der refereres til Dansk Energis model for beregning af standardtilslutningsbidraget til mere information om dette emne. Ved tilslutning af forbrug med begrænset netadgang betaler kunden et reduceret tilslutningsbidrag. Kunden betaler de faktiske omkostninger, der er forbundet med tilslutningen og skal være indstillet på at være forhindret adgang til elnettet i perioder med flaskehalssituationer. For flere detaljer om ordningen med begrænset netadgang refereres der til Dansk Energis vejledning.
Omkostninger Udfordringer for bilforhandlere og netselskaber Usikkerhed i tilslutningsbehov og omkostninger forringer kundens business case Bilforhandlere (herunder kunden ) skal som udgangspunkt ikke bekymre sig over, om der er ledig kapacitet i elnettet eller ej, når kunden køber en permanent/fuld adgang til elnettet. Men usikkerheden i det fremtidige effektbehov bærer en risiko for overinvestering ved at købe fuld adgang, idet kunden ikke kender sit effektbehov for den nærmeste fremtid. Kunden ønsker naturligvis ikke at købe en for stor nettilslutning, men omvendt skal han også have for øje, at netkapaciteten er begrænset, og at nettet ikke kan opgraderes over natten. Hvis kunden undervurderer sit effektbehov og køber en for lille leveringsomfang, kan kunden i princippet bare købe en større adgang til elnettet. Det er en fin løsning, hvis der er ledig kapacitet i elnettet. Er der ikke ledig kapacitet i elnettet, skal kunden vente på, at netselskabet opgraderer det kollektive elnet. Denne ventetid kan dog strække sig over en længere periode. Hvis kunden overvurderer sit effektbehov, investerer han i et alt for stort leveringsomfang, som de rent faktisk ikke bruger. Denne usikkerhed i behov og potentielt store investeringsomkostninger forringer derfor business casen for salg af elbiler. Det er derfor i kundens interesse, at der udvikles en hensigtsmæssig løsning, som gør, at kunden får den nødvendige kapacitet uden at skulle vente mange måneder på det eller betale et stort beløb for tilslutningen. Netselskabets omkostninger følger ikke samme udvikling som kundens omkostninger Netselskabet er forpligtet til at stille det kollektive elnet til rådighed over for alle forbrugskunder på lige, objektive og ikke-diskriminerende vilkår. Dvs. at alle forbrugskunder har lige adgang til elnettet, så længe de har købt sig en permanent/fuld netadgang til elnettet. Kunder med begrænset netadgang har ikke den samme ret til elnettet og tilbydes dermed en forringet leveringssikkerhed. Modsat kundens tilslutningsbidrag, som for tiden er ca. kr. 1.000,- per ampere, er omkostningerne for at øge netkapaciteten for netselskaber ikke en lineær funktion. Figur 1 viser et eksempel på en mulig udvikling af udbygningsomkostningerne som funktion af netkapacitet. Kunder Netselskab Netkapacitet Figur 1 Skitse af en mulig udvikling af udbygningsomkostninger for netselskab og kunder 2
Mens omkostninger for kunderne stiger lineært, kan omkostninger for netselskaber stige signifikant ved overskridelse af en særlig netkapacitet, som skyldes en nødvendighed af store ombygninger i nettet, fx opgradering i 60/10 kv-nettet. Casestudie Risskov I et område i Risskov ligger der seks bilforhandlere inden for en radius af 300 m. Baseret på deres nuværende forbrug og deres anslåede fremtidige forbrug, når elbilsalget er steget betragteligt, har vi gennemført en behovsanalyse for årene 2020 og 2025. Resultaterne i analysen viser os, hvor meget forbruget forventes at stige for hver bilforhandler og i hele området, så det bliver muligt at bestemme eventuelle nødvendige opgraderinger og udbygninger af det lokale distributionsnet. I Risskov er nuværende effektbehov og belastning af nettet lav Det nuværende forbrug er baseret på 15-minuttersdata fra perioden 01-11-2017 31-10-2018 modtaget fra energiselskabet i Risskov. Datasættet omfatter både forbrugsdata fra de enkelte bilforhandlere samt den samlede sum af forbrug under hovedstationen og de enkelte netstationer. Forbrugsdataene viser, at 60/10 kv-hovedstation og 10 kv-nettet er lavt belastet i dag, og at der er plads til et øget effektbehov pga. opladning af elbiler. Derudover kan vi se, at belastningen af netstationer (10/0,4 kv-transformere) og 0,4 kv-kabler, som forsyner bilforhandlerne, maksimalt ligger på 50 %. Det vil sige, at der også er ledig kapacitet i de nuværende 0,4 kv-net. Bilforhandlernes fremtidige effektbehov kan stige helt op til 890 % i 2025 Det forventede effekt- og strømbehov til bilopladning hos bilforhandlere blev beregnet baseret på repræsentative data fra én af bilforhandlerne. Disse data inkluderer effekt- og strømtræk fra værksted, kundeparkering, personalebiler og demobiler. På grund af den høje usikkerhed om, hvor hurtigt elbilsalget stiger, antages en tolerance på ±50 % ved opladningsbehovet. Under disse antagelser forventes det, at bilforhandlernes strømbehov stiger fra 160 A i dag til 290-560 A i 2020 og 580-1450 A i 2025. Tilsvarende vil effektbehovet stige fra maksimal ca. 105 kw i dag til maksimalt 192-365 kw i 2020 og 382-935 kw i 2025. Figur 2 viser en stigning i forbruget relativt til i dags maksimum effektbehov i bilforhandlerens almindelige drift for dag- og nattetimer. 3
Maks. belastning rel. til alm. dag drift 1000% 900% DAG basis -50% DAG basis DAG basis + 50 % NAT basis -50 % NAT basis NAT basis + 50 % 800% 700% 600% 500% dagtimer 400% 300% 200% nattetimer 100% 0% 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 ÅR Figur 2 Repræsentative belastningsscenarier for én bilforhandler - stigning i samlet forbrug pga. bilopladning i procent relativt til det maksimale forbrug i almindelig drift i dag. Figuren viser, at belastningen i dagtimerne vil stige til 180-350 % i 2020 og yderligere til 360-890 % i 2025. I nattetimerne vil maksimal belastning være væsentlige lavere end i dagtimerne. Fra 43 % i dag vil det stige til 100-210 % i 2020 og 180-450 % i 2025. For at finde frem til det forventede behov i 2020 og 2025 for de øvrige bilforhandlere i Risskovområdet, beregnedes hver enkelt forhandlers markedsandel i området baseret på nyregistreringer af biler. Ud fra dette beregnede vi de andre bilforhandleres fremtidige behov baseret på deres markedsandel i Risskov. Dermed kan vi se, at det samlede strømbehov for alle bilforhandlere i hele området stiger fra ca. 0,75 ka til 1,2-2,0 ka i 2020 og 2,1-4,7 ka i 2025. Det samlede effektbehov for bilforhandlerne vil stige fra 0,52 MW til 0.8-1,4 MW i 2020 og 1,4-3,2 MW i 2025. Som vist i Figur 2 er der stor forskel på bilforhandlernes effektbehov om dagen og natten. Det er således oplagt, at der er potentiale for at indføre noget fleksibilitet i forbruget og et potentiale for at reducere tilslutningsbehovet ved at flytte nogle forbrug fra dagtimer til nattetimer. Netanalyserne viser, at det stigende effektbehov vil kræve netopgraderinger Til analysen af distributionsnettet leverede netselskabet netdata fra hovedstationen og relevante 10 kv-radialer. Derudover data for de underliggende 10/0,4 kv-netstationer og 0,4 kv-radialer. Baseret på disse data blev en netmodel opbygget i PowerFactory. De seks bilforhandlere er tilsluttet den samme hovedstation. Dog er bilforhandlerne fordelt på fem udføringer og fem forskellige netstationer. Det er kun to bilforhandlerne, som er tilsluttet til den samme udføring og den samme netstation. Derudover ser det ud til, at nogle af bilforhandlerne har deres egen 0,4-kV-stikledning direkte fra den tilhørende netstation. I netdataene var det ikke muligt at identificere disse 0,4 kv-stikledninger, så analysen tager ikke højde for et muligt opgraderingsbehov af dem. Tabel 1 viser en oversigt over, hvilke komponenter der bliver overbelastet i hvert scenarie, og på hvilket spændingsniveau problemet kan opstå. 4
Tabel 1 Belastning af komponenter i 0,4 kv- og 10 kv-net i de forskellige scenarier. Scenarier 2018 basis basis 50% 2020 basis basis + 50 % basis 50% 2025 basis 0,4-kV kabler 10/0,4-kV transformer 0,4 kv spænding 10 kv kabel 10 kv 60/10-kV spænding transformer basis + 50 % 1) 1) Høj effekt behov og lav spændinger førte til konvergens problemer i net beregninger. Transformer/kabel belastning [%] Spænding [p. u.] < 70 % 0,95-1,0 70-90 % 0,9-0,95 90-99 % <0,9 >= 100 % Analysen af distributionsnettet i Risskov viste, at opgradering af nogle netstationer (10/0,4 kv transformere) og dele af 0,4 kv-net er nødvendigt. I denne specifikke case er en opgradering af hovedstationen og 10-kV-nettet ikke nødvendig for at levere det øgede behov pga. bilopladningen. En mulig årsag til dette er, at bilforhandlerne er fordelt på forskellige udføringer (dermed også på forskellige netstationer), og det reducerer risikoen for overbelastning af 10 kv-nettet. Analysen viste, at det øgede behov i 2020 kræver at opgradere op til 0,6 km kabel i 0,4 kv-nettet. Udskiftning af lavsspændingskabler er også nok, hvis behovet i 2025 svarer til 2025 basis -50 % -scenariet. Disse lavspændingskabler er en del af de 0,4 kv-net, hvor bilforhandlerne, som ikke har en egen stikledning direkte fra netstationen, er tilsluttet. Opgradering af 10/0,4 kv-transformere er kun nødvendig, hvis behovet i 2025 svarer til 2025 basis -scenariet eller 2025 basis +50 % -scenariet. Her ville det være nødvendigt at udskifte tre transformere. Det skal også nævnes, at nogle af de nødvendige netopgraderinger kræver, at flere 0,4 kvkabler er installeret parallelt. For eksempel kræver det øgede effektbehov af én af bilforhandlerne i 2025 basis +50 % -scenariet, at seks kabler lægges parallelt. Omkostningsanalysen viser, at der er høj risiko for overinvestering Der er stor usikkerhed om, hvor hurtigt elbilsalget vil stige, og dermed hvor hurtigt bilforhandlernes effektbehov vil stige. Derfor tages i denne analyse for 2020 og 2025, udover basisscenariet, også scenarier med basis ±50 % i betragtning. For hvert scenarie blev det undersøgt, hvilke komponenter der skal udskiftes, og hvad det svarer til i omkostninger. For hver kombination af scenarier for 2020, 2025 og forskellige investeringsscenarier for 2019 blev ombygningsscenarier opbygget, og de resulterende samlede investeringsomkostninger i 2025 beregnet. Investeringsomkostninger er angivet i procent, hvor investeringsomkostninger til optimal ombygning til 2025 basis -scenariet svarer til 100 %. Investeringsomkostninger til optimal ombygning til 2025 basis -scenariet er estimeret til at være 70 % af værdien af nettet, hvor bilforhandlerne er tilsluttet. Værdien blev beregnet baseret på bilforhandlernes nuværende maksimale strømbehov og en pris på kr. 1.800,- per ampere. 5
Omkostninger opgradering Resultaterne viser, at de totale investeringsomkostninger i 2025 vil ligge på mellem 46 % og 169 % og er meget afhængige af 2025-scenariet. På grund af den høje usikkerhed, er der en høj risiko for overinvestering, som kan gå helt op til 152 % af det faktiske investeringsbehov. Dermed viser analyserne ikke tydeligt, at en tidlig investering sparer penge. En opgraderingsstrategi, hvor ombygninger er udført efter behov, resulterer i lignende totale omkostninger, som en optimal ombygning. Figur 3 viser en sammenligning af de totale investeringsomkostninger. Optimal ombygning svarer til de omkostninger, man ville få, hvis man i dag kender de præcise behov i 2025. I opgraderingsscenarierne Løbende opgraderinger 1-3 (LO 1-3) er antagelsen, at ingen investeringer foretages i dag, men at netselskabet løbende opgraderer nettet efter behov. De tre forskellige opgraderingsscenarier udspringer fra de tre behovsscenarier i 2020. I LO 1 svarer behovet i 2020 til scenario 2020 basis -50 %, i LO 2 til 2020 basis og i LO 3 til 2020 basis +50 %. I det fjerde opgraderingsscenarie Løbende opgraderinger 4 (LO 4) er antagelsen, at netselskabet i 2020 investerer svarende til 2025 basis -scenariet. 180% 160% 140% 120% 100% Optimal ombygning LO 1: 2019 2020 basis -50 % 2025 LO 2: 2019 2020 basis 2025 LO 3: 2019 2020 basis +50 % 2025 LO 4: 2019 2025 basis i 2020 2025 Opgradering transformere Opgradering kabler 80% 60% 40% 20% 0% basis -50 % basis basis +50 % 2025 behovsscenarier Figur 3 Sammenligning af omkostninger ved en optimal investering og ved scenarier hvor nettet bliver opgraderet løbende. Omkostninger er delt op i opgraderingsomkostninger til kabler of transformere. Det er angivet i procent, hvor investeringsomkostninger til optimal ombygning til 2025 basis -scenariet svarer til 100 %. En sammenligning viser, at med den løbende opgradering LO 1-3 bliver investeringsomkostningerne i værste tilfælde omkring 14 % dyrere end med en optimal ombygning. Grafen afslører også, at årsagen til omkostningsforskellene mellem det optimale ombygningsscenarie og LO 1-3 scenarierne er de varierende omkostninger til opgradering af kabler, mens omkostningerne til opgradering af transformere er de samme. LO 4 viser, at en tidlig investering, svarende til et muligt fremtidsscenarie, her fx 2025 basis, er forbundet med en risiko for at overinvestere, men også en risiko for at de samlede omkostninger bliver signifikant højere end i de andre ombygningsscenarier. Hvis behovet i 2025 kun svarer til 2025 basis -50 % scenariet, så var investeringen i LO 4 115 % højere end ved en optimal ombygning. Men hvis behovet i 2025 svarer til 2025 basis +50 % -scenariet, er tilpasningen til dette øgede behov betydelig dyrere end ved den løbende ombygning i LO 1-3 og den optimale ombygning. Den store forskel i omkostninger skyldes, at transformere, som allerede blev udskiftet til større i LO 4, endnu en gang skal op- 6
Omkostninger opgradering graderes. Det er tydeligt, at en tidlig opgradering svarende til 2025 basis +50 % bærer endnu højere risiko for overinvestering, som kan gå helt op til 152 %. Omkostninger for netselskab vil stige signifikant, hvis overliggende net, skal opgraderes I Risskov-området er 60/10 kv-transformeren i dag meget lavt belastet, og derfor er en opgradering af den ikke nødvendig i de undersøgte scenarier. Det er sandsynligt, at det er ikke tilfældet i alle andre områder, hvor der findes bilbyer. For at vise, hvordan netselskabsomkostningerne påvirkes, hvis en opgradering af 60/10 kv-transformeren er nødvendig, foretog vi endnu en analyse, hvor antagelsen var, at 60/10 kvstationen skulle udvides med en anden transformer parallelt med den nuværende. 400% 350% 300% Omkostninger netselskab (kun opgradering i 0,4 kv) Omkostninger kunder Omkostninger netselskab (opgradering 0,4 kv net og 60/10 kv transformer) 250% 200% 150% 100% 50% 0% basis -50 % basis basis +50 % 2025 behovsscenarier Figur 4 Sammenligning af omkostninger for netselskabet i et optimalt investeringsscenarie (hvor kun en opgradering på 0,4 kv er nødvendig), nettilslutningsomkostninger for kunder og omkostninger for netselskabet i et andet investeringsscenarie (hvor det er nødvendigt med en opgradering på 0,4 kv-nettet og 60/10 kv-transformeren). I Figur 4 vises en sammenligning af de resulterende omkostninger for netselskabet og kunder. Omkostningerne er igen angivet i procent, hvor investeringsomkostninger til optimal ombygning til 2025 basis -scenariet svarer til 100 %. Grafen demonstrerer, at omkostningerne for netselskabet er højere end for kunderne i 2025 basis -50% - og 2025 basis -scenarierne, hvis en opgradering af 60/10 kv-transformeren er nødvendig. Regulatoriske rammer kan straffe netselskaber, som foretager langsigtet investering Både den tekniske og den økonomiske analyse viste, at der er stor fare for overinvestering pga. den høje usikkerhed med, hvor hurtigt elbilsalget stiger, og dermed hvor hurtigt effektbehovet for bilforhandlerne stiger. Den økonomiske analyse afslørede, at de totale investeringsomkostninger varierer pga. omkostninger for opgradering af kabler, og at de kan reduceres, hvis en progressiv strategi bliver brugt, når kabler skal opgraderes. Det vil sige, at hvis en opgradering af en kabelstrækning er nødvendig, at det på lang sigt er billigere at lægge ekstra kapacitet for at dække fremtidens behov, hvis man alligevel er i gang med at opgradere. For at dette skal være en mulighed for netselskaberne, er det nødvendigt, at den gældende regulativramme ikke straffer netselskaber for så langsigtet en investering. 7
Konklusion I dette notat har vi analyseret elektricitetsbehovet, mulighederne og udfordringerne i områder med mange bilforhandlere, såkaldte bilbyer. Denne analyse er bygget på en konkret case i Risskov. Resultaterne viser, at effektbehovet for de enkelte bilforhandlere vil stige signifikant helt op til ~890 % af det nuværende behov over en relativ kort periode fra 2019-2025. Samlet vil effektbehovet for bilforhandlerne stige op til ~640 % af det nuværende effektbehov. Analysen viste, at der er en stor forskel på effektbehovet i dagtimerne og nattetimerne. Her vil det være oplagt at reducere den maksimale effekt- og opgraderingsbehov ved at flytte noget forbrug fra dagtimerne til nattetimerne. Det kan for eksempel realiseres gennem installation af batterier ved bilforhandlerne, som laver peak-shaving. Det vil sige, at batteriet oplades i løbet af natten, og at det leverer effekt til bilopladning i dagtimerne. Der er dog ikke foretaget beregninger af rentabiliteten af batteriløsninger. I casestudiet viste det sig, at en opgradering af nogle netstationer og kabler i 0,4 kv-nettet er tilstrækkelig til at håndtere bilforhandlernes øgede effektbehov. Forskellige faktorer bidrager til, at 10 kv-nettet kan håndtere det øgede behov. For eksempel er den nuværende maksimalbelastning af 60/10 kv-transformeren og 10 kv-radialer lav (generelt mindre end 50 %). Derudover er bilforhandlerne fordelt på forskellige udføringer af 60/10 kv-transformeren, som betyder, at de er tilsluttet til forskellige 10 kv-radialer og dermed også forskellige netstationer. En del af bilforhandlerne har deres egen stikledning, som tilslutter dem direkte til deres netstation. Det betyder, at deres øgede effektbehov ikke belaster de 0,4 kv-radialer, hvor andre kunder er tilsluttet. Den økonomiske analyse viste, at der er en stor fare for overinvestering afhængigt af, hvor hurtigt effektbehovet stiger. Derudover er omkostningerne ved en løbende opgradering lige så store eller kun op til 14 % dyrere end omkostningerne ved en optimal ombygning. I den gradvise opgradering skyldes de øgede omkostninger højere omkostninger til kabelopgradering. Det kan undgås, hvis netselskaber, i forbindelse med at de alligevel opgraderer en nødvendig kabelstrækning, lægger ekstra kapacitet. Det samme gælder for opgradering af netstationer. Desværre understøtter de nuværende regulatoriske rammer ikke sådanne ekstrainvesteringer. De modarbejder tværtimod disse investeringer ved at straffe netselskaber, som installerer ekstra kapacitet. På grund af den nuværende lave belastning i Risskov-området har det ikke været nødvendigt at opgradere hverken 10 kv-nettet eller 60/10 kv-stationen. I andre bilbyer kan det dog være nødvendigt at opgradere 60/10 kv-transformeren. I sådan et tilfælde stiger investeringsomkostningerne for netselskabet signifikant, og kundens tilslutningsbidrag dækker muligvis ikke længere netselskabets omkostninger. 8