[논문 리뷰] City-wide modeling of Vehicle-to-Grid Economics to Understand Effects of Battery Performance

Heta A. Gandhi, Andrew Dickson White|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 12.

Electric Vehicles and Infrastructure참고 문헌 46인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 실질적인 조건 하에서 차량-전력망(V2G) 경제성을 평가하기 위해 도시 전역의 확률적 모델을 개발한다. 이 모델은 6개 미국 도시에서의 실측 주행 패턴, 배터리 노후화, 시간대별 전기 요금을 포함한다. 연구 결과, 충전 속도와 효율성이 전기차 운전자 수익에 가장 큰 영향을 미치며, 배터리 비용과 사이클 수명은 영향을 거의 미치지 않는 것으로 나타났다. 이는 향후 V2G 연구 및 설계에서 이러한 성능 지표를 우선적으로 고려해야 한다는 시사점을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실제의 확률적 주행 및 전기 요금 조건 하에서 전기차 운전자에 대한 V2G의 마이크로경제적 타당성을 평가하기 위해.
• 특히 충전 속도, 효율성, 노후화를 포함한 배터리 성능 지표가 V2G 수익성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 최대 사용자 혜택을 얻을 수 있는 조건을 규명하기 위해, 가격 수용자 모델과 최적 판매 가격(OSP) 모델을 비교하기 위해.
• 출퇴근 패턴과 전기 요금 변동성과 같은 지역 특성 요소가 V2G 절감 효과에 미치는 영향을 파악하기 위해.

제안 방법

• 확률적 모델은 6개 미국 도시(피닉스, 시카고, 보스턴, 뉴욕시티, 워싱턴 DC, 기타)에서 1년간의 시간대별 전기 요금(LBMP) 실측 데이터를 통합한다.
• 실제 사용자 행동을 모의하고 V2G 수익을 극대화하기 위해 베이지안 최적화를 활용해 실측 주행 및 근무 패턴을 모델링한다.
• 배터리 노후화는 사이클링과 캘린더 노후화를 기반으로 한 비선형 실측 노후화 함수를 사용해 모델링되며, 실제 성능을 반영한다.
• 두 가지 경제적 시나리오를 평가한다: (1) 시장 정산 가격에 따라 판매하는 가격 수용자 모델, (2) 사용자가 자체 최적의 판매 가격을 설정하는 최적 판매 가격(OMP) 모델.
• 연간 절감액은 V2G 참여 시와 기존 주행 방식 간의 연료비 차이에서 계산되며, 배터리 노후화 비용이 차감된다.
• 배터리 자본 비용, 충전 속도, 효율성에 대한 민감도 분석을 수행하여 핵심 성능 지표를 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 주행 패턴과 출퇴근 시간이 미국 각 도시의 V2G 수익성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 배터리 충전 속도와 효율성이 V2G 참여로 인한 연간 절감액에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 사이클링으로 인한 배터리 노후화가 순수익에 미치는 영향은 무엇이며, 전기 요금 차익보다 더 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 리튬이온 배터리 비용이 V2G 수익성에 얼마나 영향을 미치는가? 특히 가격이 시간이 지남에 따라 하락할 경우에 대해 설명하라.
• RQ5 가격 수용자 모델과 최적 판매 가격 모델 간의 차이가 사용자 절감액과 보급 잠재력에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 충전 속도와 효율성이 V2G 수익을 결정하는 가장 중요한 요소이며, 이들이 향상될수록 절감액이 크게 증가한다.
• 2050년까지 배터리 자본 비용이 50% 감소하더라도 연간 절감액은 거의 변화가 없어, 배터리 비용이 수익성에 미치는 영향이 미미함을 시사한다.
• 사이클링으로 인한 배터리 노후화가 순수익에 미치는 영향은 미미하여, V2G 경제성에서 사이클 수명이 이전에 예상한 것만큼 중요하지 않다는 것을 시사한다.
• 피닉스와 같은 도시에서는 근무 시간이 절감액에 큰 영향을 미치지만, 워싱턴 DC에서는 근무 시간과 관계없이 절감액이 일관되게 높아, 지역 특성에 따른 역학적 차이를 보인다.
• 최적 판매 가격(OMP) 시나리오는 가격 수용자 모델보다 훨씬 높은 수익을 창출하여, 사용자가 가격 설정의 자율성을 가진다는 것이 중요함을 입증한다.
• 최적의 시나리오에서 V2G 절감액은 약 120달러에서 150달러 수준이며, 영국과 스페인의 유사 연구 결과와 일치한다.