Margins for tomorrow : A quantitative analysis of the flexibility from aggregated electric vehicles

Elektrifieringen av bilflottan sker i rasande takt. Även andra samhällssektorers efterfrågan på el väntas öka drastiskt under kommande decennier, vilket i kombination med en växande andel intermittenta energikällor trappar upp påfrestningarna på elnätet och ställer krav på anpassningar. En föreslagen dellösning till kraftsystemets kommande utmaningar är att utnyttja efterfrågeflexibiliteten i laddande elbilar genom att en aggregator styr ett stort antal elbilsladdare och säljer den sammanlagda kapaciteten på till exempel Svenska kraftnäts stödtjänstmarknader. För att avgöra hur mycket flexibilitet som elbilsladdning kan bidra med behöver aggregatorn upprätta prognoser över hur mycket effekt som mest sannolikt finns tillgänglig vid en viss tidpunkt – en punktprognos – men också en uppskattning av vilken effektnivå man kan vara nästan säker på att utfallet överstiger – en kvantilprognos. I den här studien har en undersökning gjorts av hur prognosfelet förändras om gruppen av aggregerade elbilsladdare ökas, och hur mycket en aggregator på så sätt kan sänka sina marginaler vid försäljning av efterfrågeflexibiliteten för att med säkerhet kunna uppfylla sitt bud. Det gjordes genom att kvantifiera flexibiliteten för 1 000 destinationsladdare belägna vid huvudsakligen arbetsplatser, och genom att skala upp och ner datamängden genom slumpmässiga urval. För dessa grupper gjordes sedan probabilistiska prognoser av flexibiliteten med en rullande medelvärdes- och en ARIMA-modell. Utifrån prognoserna simulerades slutligen potentiella intäkter om aggregatorn skulle använda den flexibla kapaciteten för uppreglering till stödtjänsten FCR-D upp, vilket är en frekvensreserv som aktiveras vid störningar av nätfrekvensen. Resultaten visar att en tiodubbling av antalet aggregerade elbilsladdare mer än halverar det relativa prognosfelet. De båda prognosmodellerna visade sig ha jämförbar precision, vilket talar för att använda sig av den rullande medelvärdesmetoden på grund av dess lägre komplexitet. Den ökade säkerheten i prognosen resulterade dessutom i högre intäkter per laddare. De genomsnittliga intäkterna av att leverera flexibilitet från 1 000 aggregerade elbilsladdare till FCR-D uppgick till 6 900 kr per månad, eller 0,8 kr per session – siffror som troligen hade varit högre utan coronapandemins ökade hemarbete. En 99-procentig konfidensgrad för kvantilprognosen resulterade i en säkerhetsmarginal med varierande storlek, som i genomsnitt var runt 90 procent för 100 laddpunkter, 60 procent för 1 000 laddpunkter samt 30 procent för 10 000 laddpunkter. Mest flexibilitet fanns tillgänglig under vardagsförmiddagar då ungefär 600 kW fanns tillgängligt som mest för 1 000 laddpunkter. Att döma av tio års nätfrekvensdata är den sammanlagda sannolikheten för att över 50 procent aktivering av FCR-D-budet skulle sammanfalla med att utfallet för den tillgängliga kapaciteten är en-på-hundra-låg i princip obefintlig – en gång på drygt 511 år. Att aggregatorn lägger sina bud utifrån en 99-procentig konfidensgrad kan alltså anses säkert.The electrification of the car fleet is taking place at a frenetic pace. Additionally, demand for electricity from other sectors of the Swedish society is expected to grow considerably in the coming decades, which in combination with an increasing proportion of intermittent energy sources puts increasing pressure on the electrical grid and prompts a need to adapt to these changes. A proposed solution to part of the power system's upcoming challenges is to utilize the flexibility available from charging electric vehicles (EVs) by letting an aggregator control a large number of EV chargers and sell the extra capacity to, for example, Svenska kraftnät's balancing markets. To quantify how much flexibility charging EVs can contribute with, the aggregator needs to make forecasts of how much power that is most likely available at a given time – a point forecast – but also an estimate of what power level the aggregator almost certainly will exceed – a quantile forecast. In this study, an investigation has been made of how the forecast error changes if the amount of aggregated EV chargers is increased, and how much an aggregator can lower their margins when selling the flexibility to be able to deliver according to the bid with certainty. This was done by quantifying the flexibility of 1000 EV chargers located at mainly workplaces, and by scaling up and down the data through random sampling. For these groups, probabilistic forecasts of the flexibility were then made with a moving average forecast as well as an ARIMA model. Based on the forecasts, potential revenues were finally simulated for the case where the aggregator uses the available flexibility for up-regulation to the balancing market FCR-D up, which is a frequency containment reserve that is activated in the event of disturbances. The results show that a tenfold increase in the number of aggregated EV chargers more than halves the forecast error. The two forecast models proved to have comparable precision, which suggests that the moving average forecast is recommended due to its lower complexity compared to the ARIMA model. The increased precision in the forecasts also resulted in higher revenues per charger. The average income from delivering flexibility from 1000 aggregated electric car chargers to FCR-D amounted to SEK 6900 per month, or SEK 0.8 per session – figures that would probably have been higher without the corona pandemic's increased share of work done from home. A 99 percent confidence level for the quantile forecast resulted in a safety margin of varying size, which on average was around 90 percent for 100 chargers, 60 percent for 1000 chargers and 30 percent for 10,000 chargers. Most flexibility was shown to be available on weekday mornings when approximately 600 kW was available at most for 1000 chargers. By examining frequency data for the Nordic power grid from the past ten years, the joint probability that a more than 50 percent activation of the FCR-D bid would coincide with the outcome for the available capacity being one-in-a-hundred-low, was concluded to be nearly non-existent – likely only once in about 511 years. For the aggregator to place bids based on a 99 percent confidence level can thus be considered safe