Potential savings on investments for fast-charging infrastructure by spatio-temporal coordination of charging processes for long-distance passenger car journeys

Abstract

Der Transportsektor ist einer der größten Verursacher von CO2-Emissionen und stellt somit eine zentrale Herausforderung für die Erreichung nationaler und internationaler Klimaziele dar. Die zunehmende Verbreitung von Batterie-Elektrofahrzeugen erfordert eine effiziente Nutzung der bestehenden Schnellladeinfrastruktur, insbesondere auf hochfrequentierten Verkehrswegen wie Autobahnen. In dieser Arbeit wird ein mathematisches Optimierungsmodell weiterentwickelt, das auf der Bottom-up-Methode basiert. Ziel des Modells ist, die Identifizierung ungenutzter Kapazitäten von Schnellladestationen durch verschiedene Ausbaustufen einer Ladekoordination zu identifizieren und daraus ein Einsparungspotenzial an Schnellladeinfrastruktursinvestitionen zu generieren. Die Untersuchung erfolgt anhand von österreichischen Verkehrsdaten, wobei die Autobahn A2 als Fallstudienregion dient. In diesem Modell werden zwei Fahrzeugkategorien definiert: Die eine Kategorie repräsentiert die Fahrzeuge, welche an einer Ladekoordination teilnehmen, während die andere Kategorie Fahrzeuge repräsentiert, welche nicht an einer Ladekoordination teilnehmen. Die Optimierung berücksichtigt verschiedene Szenarien, wie die Anzahl der betrachteten Fahrzeuge sowie die Verkehrsveränderungen durch das Wochenende und durch saisonellen Tourismus Verkehr. Die Ergebnisse zeigen, dass durch eine Ladekoordination der Ladevorgänge eine signifikante Effizienzsteigerung der Schnellladekapazitätsnutzung erzielt werden kann. Darüber hinaus wird deutlich, dass Ladekoordination zur gleichmäßigeren Verteilung der Ladevorgänge und Ladeleistung auf verschiedene Standorte beiträgt und dadurch lokale Überlastungen reduzieren könnte. Darüber hinaus kann eine Ladekoordination saisonale Verkehrsschwankungen und erhöhte Verkehrsdichten an Wochenenden besser abfedern, was zu einer effizienten Nutzung der vorhandenen Infrastruktur beiträgt und ermöglicht eine präzisere Planung des Schnellladeinfrastrukturbedarfs. Die Effektivität der Ladekoordination hängt maßgeblich von der Anzahl der berücksichtigten Fahrzeuge ab, da eine größere Fahrzeugmenge eine gleichmäßigere Verteilung der Ladevorgänge ermöglicht. Die Ladekoordination trägt somit dazu bei, Investitionskosten in neue Ladepunkte zu verringern.

The transport sector is one of the largest emitters of CO2 emissions and therefore represents a key challenge for achieving national and international climate targets. The increasing spread of battery electric vehicles requires an efficient use of the existing fast charging infrastructure, especially on highly frequented traffic routes such as highways. In this thesis, a mathematical optimisation model based on the bottom-up method is further developed. The aim of the model is to identify unused capacities of fast-charging stations through various expansion stages of charging coordination and to generate potential savings in fast-charging infrastructure investments. The study is based on Austrian traffic data, with the A2 highway serving as the case study region. Two vehicle categories are defined in this model: One category represents vehicles that participate in charging coordination, while the other category represents vehicles that do not participate in charging coordination. The optimisation takes into account various scenarios, such as the number of vehicles considered as well as traffic changes due to the weekend and seasonal tourist traffic. The results show that a significant increase in the efficiency of fast-charging capacity utilisation can be achieved by coordinating the charging processes. Furthermore, it becomes clear that charging coordination contributes to a smoother distribution of charging processes and charging capacity across different locations and could thus reduce local demand peaks. In addition, charging coordination can better mitigate seasonal traffic fluctuations and increased traffic density at weekends, which contributes to a more efficient utilisation of the existing infrastructure and enables more precise planning of fast-charging infrastructure requirements. The effectiveness of charging coordination depends largely on the number of vehicles taken into account, as a larger number of vehicles enables a more balanced distribution of charging processes. Charging coordination therefore helps to reduce investment costs in new charging points.