[論文レビュー] City-wide modeling of Vehicle-to-Grid Economics to Understand Effects of Battery Performance

Heta A. Gandhi, Andrew Dickson White|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2021

Electric Vehicles and Infrastructure参考文献 46被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、6つの米国都市における実際の走行パターン、バッテリ劣化、および時間単位の電力料金を組み込んだ、都市規模の確率的モデルを用いて、V2G（車両から電力網への送電）の経済性を評価する。その結果、EV所有者の利益に最も大きな影響を与える要因は充電速度と効率であり、バッテリコストやサイクル寿命の影響は最小限であることが判明した。これは、今後のV2G研究および設計において、これらの性能指標を優先的に検討する必要があることを示唆している。

ABSTRACT

Vehicle-to-grid (V2G) is a promising approach to solve the problem of grid-level intermittent supply and demand mismatch, caused due to renewable energy resources, because it uses the existing resource of electric vehicle (EV) batteries as the energy storage medium. EV battery design together with an impetus on profitability for participating EV owners is pivotal for V2G success. To better understand what battery device parameters are most important for V2G adoption, we model the economics of V2G process under realistic conditions. Most previous studies that perform V2G economic analysis, assume ideal driving conditions, use linear battery degradation models, or only consider V2G for ancillary services. Our model accounts realistic battery degradation, empirical charging efficiencies, for randomness in commute behavior, and historic hourly electricity prices in six cities in the United States. We model user behavior with Bayesian optimization to provide a best-case scenario for V2G. Across all cities, we find that charging rate and efficiency are the most important factors that determine EV users' profits. Surprisingly, EV battery cost and thus degradation due to cycling has little effect. These findings should help focus research on figures of merit that better reflect real usage of batteries in a V2G economy.

研究の動機と目的

• 現実的で確率的な走行状況と電力料金条件の下で、EV所有者におけるV2Gのマイクロエコノミックな実現可能性を評価すること。
• 特に充電速度、効率、劣化を含むバッテリ性能指標がV2G収益性に与える影響を評価すること。
• 最大のユーザー利益を得られる条件を特定するため、価格受容型モデルと最適販売価格（OSP）モデルの2つの経済的シナリオを比較すること。
• 通勤パターンや電力料金の変動性といった地域特有の要因が、V2Gによる節約に与える影響を特定すること。

提案手法

• 確率的モデルは、6つの米国都市（フェニックス、シカゴ、ボストン、ニューヨーク、ワシントンDC、その他の都市）で1年間にわたり取得された時間単位の電力料金（LBMP）の実世界データを統合する。
• 実際の走行および勤務パターンは、ベイズ最適化を用いてモデル化され、現実的なユーザー行動を再現するとともに、V2G収益の最大化を図る。
• バッテリ劣化は、サイクリングとカルテル年齢に基づく非線形で実証的な劣化関数を用いてモデル化され、実際の性能を反映する。
• 2つの経済的シナリオを評価する：(1) マーケットクリア価格で売却する価格受容型モデル、(2) ユーザー自身が最適な販売価格を設定する最適販売価格（OSP）モデル。
• 年間の節約額は、V2G参加と従来の走行との間の燃料コストの差から、バッテリ劣化コストを差し引いて算出される。
• バッテリ初期コスト、充電速度、効率の感度分析を実施し、主な性能ドライバーを特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的な走行パターンと通勤時間帯は、米国各地域におけるV2G収益性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 バッテリの充電速度と効率は、V2G参加による年間節約額にどのような影響を与えるか？
• RQ3 サイクリングに起因するバッテリ劣化は、純利益にどのように影響を与え、電力アービタージュによる利益を上回るか？
• RQ4 リチウムイオンバッテリのコストが、特に将来的に価格が低下する中で、V2G収益性にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 価格受容型モデルと最適販売価格モデルの違いは、ユーザーの節約額と導入可能性にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 充電速度と効率が、V2G利益を決定づける最も重要な要因であり、両者が向上するにつれて節約額は顕著に増加する。
• 2050年までにバッテリ初期コストが50％削減されても、V2Gによる年間節約額はほとんど変化せず、バッテリコストが収益性に与える影響は最小限であることが示された。
• サイクリングに起因するバッテリ劣化は、純節約額にほとんど影響を及ぼさないため、V2G経済学においてサイクル寿命は従来の予想よりも重要性が低いことが示唆された。
• フェニックスのような都市では、勤務時間帯が節約額に大きな影響を及ぼすが、ワシントンDCでは勤務時間帯に関係なく一貫して高い節約額が得られるため、地域特有のダイナミクスが顕著に現れている。
• 最適販売価格（OSP）シナリオでは、価格受容型モデルに比べて著しく高い利益が得られ、ユーザーが販売価格を自主的に設定できることが重要であることが示された。
• 最良のシナリオでは、V2Gによる節約額は年間およそ120～150ドルに達し、英国やスペインの類似研究の結果とも整合的である。