Enabling solar electricity with electric vehicles in future energy systems

Tese de doutoramento, Sistemas Sustentáveis de Energia, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015Climate change is on the agenda of many world leaders and policy makers, and its containment is of exceptional importance. Within this frame, ambitious environmental targets have been established by the European Union, including the reduction in greenhouse gases emissions by 80-95% until 2050. To do so, energy systems will require a large share of renewable energies, particularly solar photovoltaic power, since it appears to have the greatest potential for decarbonized electricity generation. However, relying on such renewable energy sources is expected to generate a mismatch between production and consumption, namely considerable excess solar electricity during day time. This excess power may be conveniently used to power electric mobility, taking advantage of the battery capacity of the electric vehicles acting as distributed controllable storage. In this thesis, based on 2050 scenarios for the case study of Portugal, the synergy between photovoltaics and electric vehicles is explored, determining the minimum penetration levels that allow fulfilling the climate and energy targets. It is analyzed the extent to which photovoltaic energy can further transport electrification integration, and vice-versa. The technical impacts on the electricity system are determined quantitatively, as well as the required penetration of one technology that enables the deployment of the other. Model results show that CO2 emissions targets can only be achieved with high levels of photovoltaics and electric vehicles, reinforcing the need for day time charging infrastructures, presumably at or near work facilities. It is shown that a 100% renewable energy based electricity supply is possible for certain combinations of these technologies and that the environmental targets to reduce CO2 emissions can only be reached with at least 40% of electric vehicles market share. The present thesis contributes to the literature on integration of high levels of renewable energy sources on the electric grid and on interactions between renewable energy and electric vehicles deployment.As alterações climáticas estão na agenda dos líderes mundiais e dos decisores políticos, pois contê-las é fundamental. Neste quadro, a União Europeia traçou metas ambientais exigentes, como a redução das emissões de gases com efeito de estufa em 80-95% até 2050. Para isso, os sistemas de energia terão de assentar em energias renováveis, particularmente em energia fotovoltaica, uma vez que no futuro esta parece ser a forma com maior potencial de geração de electricidade limpa. Porém, esta situação contribuirá para o desfasamento entre a produção e o consumo, com geração de energia solar em excesso durante o dia. Esta energia em excesso pode ser convenientemente canalizada para a mobilidade eléctrica, aproveitando a capacidade das baterias dos veículos eléctricos a funcionar como armazenamento controlável e distribuído. Na presente tese, com base em cenários do ano 2050 para o caso de Portugal, exploram-se as sinergias entre a energia fotovoltaica e os veículos eléctricos, determinando-se os níveis mínimos de penetração que permitem o cumprimento das metas na área do ambiente. Analisa-se em que medida a energia fotovoltaica permite uma maior integração do veículo eléctrico, e vice-versa. Os impactos na rede de energia eléctrica são determinados quantitativamente, assim como a penetração necessária de uma tecnologia que permite a implantação da outra. Os resultados do modelo mostram que as metas para as emissões de CO2 só podem ser alcançadas com elevadas penetrações de energia fotovoltaica e veículos eléctricos, o que reforça a necessidade da existência de infraestruturas para carregamento dos veículos durante o dia, tal como nos locais de trabalho. Mostra-se que 100% de energia eléctrica renovável é possível com determinadas combinações entre as duas tecnologias e que as metas ambientais para redução de emissões de CO2 são apenas alcançáveis com pelo menos 40% de penetração de veículos eléctricos no mercado. A presente tese contribui para a literatura sobre a integração na rede eléctrica de elevados níveis de energia renovável e sobre a interacção entre energia renovável e veículos eléctricos.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT), SFRH/BD/51130/201