Operational concepts for grid services using electric vehicles

The European electricity grid is subject to increasing stresses due to increasing share of volatile renewable energy technologies. These technologies, coupled with higher volatility in demand, pose challenges to the stability and security of the European grid, erstwhile dominated by large and relatively reliable conventional generation. As the contribution of wind and photovoltaic generation increases in the energy mix, it demands an assessment of the corresponding risk to frequency stability and possible preventive measures. Uncontrolled charging of the increasing number of electric vehicles in Germany also demands a thorough investigation of methods for their integration in the electricity grid to not only improve grid frequency stability but also to provide secondary benefits to electric vehicle users. This work analyzes the load frequency control systems for their suitability for integration of electric vehicles and the impact of increase in volatile renewable energy on frequency stability for the case of Germany, showing a significant increase in reserve requirements. Evaluation of alternative approaches to load frequency control on the basis of infrastructure requirements shows that introduction of an aggregator of distributed energy resources can significantly reduce the overall infrastructure requirements for grid operators. The operational concepts herein proposed are evaluated using several case studies for optimizing the use of electric vehicles for grid flexibility services by taking into account the usage requirements of the vehicle owner and supply requirements of grid services.Das europäische Stromnetz ist aufgrund des steigenden Anteils volatiler erneuerbare Energiequellen einer zunehmenden Belastung ausgesetzt. Diese Technologien, in Ver-bindung mit einer höheren Volatilität der Nachfrage, stellen eine Herausforderung für die Stabilität und Sicherheit des europäischen Netzes dar, das früher von einer zentrali-sierteren Erzeugung in großen und relativ zuverlässigen konventionellen Kraftwerken geprägt war. Mit zunehmendem Beitrag der Wind- und Photovoltaikerzeugung am Energiemix ist eine Bewertung des Risikos für die Frequenzstabilität und mögliche Prä-ventivmaßnahmen erforderlich. Die ungesteuerte Aufladung der zunehmenden Anzahl von Elektrofahrzeugen in Deutschland erfordert auch eine gründliche Untersuchung der Methoden für ihre Integration in das Stromnetz, um nicht nur die Stabilität der Strom-netzfrequenz zu verbessern, sondern auch einen sekundären Nutzen für die Elektrofahr-zeug-Nutzer zu erzielen. Diese Arbeit analysiert die Lastfrequenzregelungssysteme auf ihre Eignung zur Integration von Elektrofahrzeugen ins Stromnetz sowie die Auswir-kungen der Erhöhung des Anteils von volatilen erneuerbaren Energien auf die Frequenz-stabilität in Deutschland, und zeigt einen deutlichen Anstieg der Anforderungen an Re-servekapazität. Die Bewertung alternativer Ansätze zur Lastfrequenzsteuerung auf der Grundlage von Infrastrukturanforderungen zeigt, dass die Einführung eines verteilten Energieressourcen Aggregators den gesamten Infrastrukturbedarf der Netzbetreiber deutlich reduzieren kann. Die hierin vorgeschlagenen Betriebskonzepte werden anhand mehrerer Fallstudien zur Optimierung des Einsatzes von Elektrofahrzeugen für Flexibili-tätsdienstleistungen im Stromnetz unter Berücksichtigung der Anforderungen der Fahr-zeughalter und des Versorgungsbedarfs von Netzdiensten bewertetThis thesis deals with the challenges to frequency stability in the European electricity grid posed by the increasing share of renewable energy resources and electric vehicles. It evaluates European load frequency control systems for their suitability for integration of electric vehicles and the impact of increase in photovoltaic and wind power on frequency stability for the case of Germany, demonstrating a consequent significant increase in frequency control reserve requirements. Evaluation of alternative approaches to load frequency control shows that introduction of an aggregator of distributed energy resources can also significantly reduce the overall infrastructure requirements for grid operators. The operational concepts herein proposed are evaluated using several case studies for optimizing the use of electric vehicles for grid flexibility services by taking into account the user behavior of vehicle owners and supply requirements of these grid services