Designing an Electric Road System
(2023) In CODEN:LUTEDX/TEIE EIEM01 20222Industrial Electrical Engineering and Automation
- Abstract
- Electric road systems (ERS) provide electric power to vehicles en route (dynamic charging) and can reduce the need for onboard battery capacity. This thesis sets out to examine the power demand of an ERS and the integration of energy storage in its power supply for grid load alleviation and backup power. Specifically, the analysis is based on the ongoing project to build a permanent ERS on a 21 km section of highway E20 between Hallsberg and Örebro, Sweden. Power demand is calculated as a function of hourly traffic flow during a heavily trafficked day, vehicle energy consumption over the distance and the placement of ERS segments. An energy storage system (ESS) for leveling peak power demand (peak shaving) is dimensioned as a function of... (More)
- Electric road systems (ERS) provide electric power to vehicles en route (dynamic charging) and can reduce the need for onboard battery capacity. This thesis sets out to examine the power demand of an ERS and the integration of energy storage in its power supply for grid load alleviation and backup power. Specifically, the analysis is based on the ongoing project to build a permanent ERS on a 21 km section of highway E20 between Hallsberg and Örebro, Sweden. Power demand is calculated as a function of hourly traffic flow during a heavily trafficked day, vehicle energy consumption over the distance and the placement of ERS segments. An energy storage system (ESS) for leveling peak power demand (peak shaving) is dimensioned as a function of power demand and some set grid power limits. It is assumed that the vehicles in need of emergency backup can be represented as a share of the traffic flow.
Conclusively, the power demand varies significantly in both time and space. The peak power demand from the ERS is 15 MWh/h when all trucks are assumed to use the system and 36 MWh/h when all cars are included too. The power demand from cars has a very distinct peak during the afternoon, whereas that from trucks has a more even demand throughout the day. ESS can make the most difference when intense but short peaks are present, making it appear most suitable when cars are included as ERS users. The suggested ESS capacities for peak shaving (6-45 MWh) can also be used to sustain critical transport 1-12 days, where the number of days depends on what share of the traffic is considered critical. Finally, only vehicles driving further than the range of the onboard battery are likely to need the ERS. A sensitivity analysis is done to estimate what power demand can be expected in both the short and long term. (Less) - Popular Abstract (Swedish)
- Elektrifieringen av fordonsflottan kräver installation av laddinfrastruktur längs vägarna för resor då hem-eller depåladdning inte täcker behoven. Elvägar kan vara en lösning genom att förse bilar med ström under färd, också kallat dynamisk laddning. Dessutom kan elvägar hjälpa till att minska behovet av stora batterier i elbilar.
Det är dock viktigt att ta hänsyn till att laddning av eldrivna fordon medför en betydande last på elnätet generellt. Elvägar specifikt gör att denna last dessutom sammanfaller med trafikmönstret. Allt eftersom fordon blir mer beroende av en potentiell installation av elvägar, ökar dessutom kravet på att systemet är robust och alltid kan förse laddning till de bilar som behöver.
I detta examensarbete utreds... (More) - Elektrifieringen av fordonsflottan kräver installation av laddinfrastruktur längs vägarna för resor då hem-eller depåladdning inte täcker behoven. Elvägar kan vara en lösning genom att förse bilar med ström under färd, också kallat dynamisk laddning. Dessutom kan elvägar hjälpa till att minska behovet av stora batterier i elbilar.
Det är dock viktigt att ta hänsyn till att laddning av eldrivna fordon medför en betydande last på elnätet generellt. Elvägar specifikt gör att denna last dessutom sammanfaller med trafikmönstret. Allt eftersom fordon blir mer beroende av en potentiell installation av elvägar, ökar dessutom kravet på att systemet är robust och alltid kan förse laddning till de bilar som behöver.
I detta examensarbete utreds en elvägs effektbehov och hur energilagring kan integreras i systemet för lastutjämning samt reservkraft för kritiska transporter. Analyserna baserar sig på en pågående upphandling där en elväg ska installeras på E20 mellan Hallsberg och Örebro.
Det visar sig att effektbehovet varierar betydande i både tid och rum. Variationen i rum beror på topografin och vilka delar av vägen som elektrifieras. I rapporten visas variationen i tid under en tungt trafikerad dag. Där syns en tydlig topp under eftermiddagsrusningen som uppgår till 36 MWh/h för all trafik och ungefär 15 MWh/h om endast lastbilar är inkluderade. Variation i tid syns även mellan dagar då vissa är betydligt mer krävande än andra. Personbilar bidrar med en mycket mer uttalad men kortvarig effekttopp jämfört med lastbilar.
Dessa intensiva men korta toppar är också där energilagringssystem i form av batterier kan göra störst skillnad. Därför gör integreringen av energilager i elvägars effektförsörjning mer nytta då personbilar inkluderas bland användarna. Mer konkret innebär detta att varje enhet batterier ger 50% större reduktion av maxeffekten då personbilar inkluderas.
Kritiska transporter har nyligen seglat upp på agendan i Sverige och det visade sig att det finns påtagliga kunskapsluckor på området. I detta arbete visas att batterilager av samma storlek som kan användas för lastutjämning kan förse kritisk transport med energi. Reservkrafttiden beräknas vara 1-12 dagar, beroende på val av batteristorlek och hur stor andel av trafiken som bedöms vara kritisk.
En annan aspekt som påverkar både elvägens effektbehov och dess försörjning är hur stor andel av trafiken som väntas använda systemet. Det är inte troligt att alla fordon kan eller ens behöver använda systemet, varken på kort eller lång sikt. På kort sikt är det antagligen endast en mindre del av lastbilarna och möjligtvis ett fåtal personbilar som kommer använda elvägen.
Allt eftersom systemet anammas och byggs ut kan alla fordon som kör längre än räckvidden av dess batteri tänkas behöva elvägen. Till en början kommer den studerade elvägen att dimensioneras endast för lastbilar. Stationära energilager skulle kunna användas för att möta det ökade effektbehovet som uppstår ifall personbilar tillåts använda systemet. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9111450
- author
- Pålsson, David LU and Henley, Samuel LU
- supervisor
-
- Mats Alaküla LU
- Olof Samuelsson LU
- Jonas Johansson LU
- organization
- alternative title
- A study on power demand, peak shaving and emergency backup
- course
- EIEM01 20222
- year
- 2023
- type
- H3 - Professional qualifications (4 Years - )
- subject
- keywords
- ERS, Electric Road System, Power Demand, Energy Storage, Peak Shaving, Emergency Backup, Elväg E20, Hallsberg, Örebro
- publication/series
- CODEN:LUTEDX/TEIE
- report number
- 5488
- language
- English
- id
- 9111450
- date added to LUP
- 2023-03-24 09:39:49
- date last changed
- 2023-03-24 09:39:49
@misc{9111450,
abstract = {{Electric road systems (ERS) provide electric power to vehicles en route (dynamic charging) and can reduce the need for onboard battery capacity. This thesis sets out to examine the power demand of an ERS and the integration of energy storage in its power supply for grid load alleviation and backup power. Specifically, the analysis is based on the ongoing project to build a permanent ERS on a 21 km section of highway E20 between Hallsberg and Örebro, Sweden. Power demand is calculated as a function of hourly traffic flow during a heavily trafficked day, vehicle energy consumption over the distance and the placement of ERS segments. An energy storage system (ESS) for leveling peak power demand (peak shaving) is dimensioned as a function of power demand and some set grid power limits. It is assumed that the vehicles in need of emergency backup can be represented as a share of the traffic flow.
Conclusively, the power demand varies significantly in both time and space. The peak power demand from the ERS is 15 MWh/h when all trucks are assumed to use the system and 36 MWh/h when all cars are included too. The power demand from cars has a very distinct peak during the afternoon, whereas that from trucks has a more even demand throughout the day. ESS can make the most difference when intense but short peaks are present, making it appear most suitable when cars are included as ERS users. The suggested ESS capacities for peak shaving (6-45 MWh) can also be used to sustain critical transport 1-12 days, where the number of days depends on what share of the traffic is considered critical. Finally, only vehicles driving further than the range of the onboard battery are likely to need the ERS. A sensitivity analysis is done to estimate what power demand can be expected in both the short and long term.}},
author = {{Pålsson, David and Henley, Samuel}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
series = {{CODEN:LUTEDX/TEIE}},
title = {{Designing an Electric Road System}},
year = {{2023}},
}