Electric vehicles as a mean to reduce, energy, emissions and electricity costs

Electric vehicles (EVs) and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), which obtain their fuel from the grid by charging a battery, are set to be introduced into the mass market and expected to contribute to oil consumption reduction. This research is concerned with studying the potential impacts on the electric utilities of large-scale adoption of plug-in electric vehicles from the perspective of electricity demand, fossil fuels use, CO2 emissions and energy costs. Simulations were applied to the Portuguese case study in order to analyze what would be the optimal recharge profile and EV penetration in an energy-oriented, an emissions-oriented and a cost-oriented objective. The objectives considered were: The leveling of load profiles, minimization of daily emissions and minimization of daily wholesale costs. Almost all solutions point to an off-peak recharge and a 50% reduction in daily wholesale costs can be verified from a peak recharge scenario to an off-peak recharge for a 2 million EVs in 2020. A 15% improvement in the daily total wholesale costs can be verified in the costs minimization objective when compared with the off-peak scenario result.

The electric vehicles as a mean to reduce Co2 emissions and energy costs in isolated regions: the São Miguel (Azores) case study

Most of small islands around the world today, are dependent on imported fossil fuels for the majority of their energy needs especially for transport activities and electricity production. The use of locally renewable energy resources and the implementation of energy efficiency measures could make a significant contribution to their economic development by reducing fossil fuel imports. An electrification of vehicles has been suggested as a way to both reduce pollutant emissions and increase security of supply of the transportation sector by reducing the dependence on oil products imports and facilitate the accommodation of renewable electricity generation, such as wind and, in the case of volcanic islands like Sao Miguel (Azores) of the geothermal energy whose penetration has been limited by the valley electricity consumption level. In this research, three scenarios of EV penetration were studied and it was verified that, for a 15% LD fleet replacement by EVs with 90% of all energy needs occurring during the night, the accommodation of 10 MW of new geothermal capacity becomes viable. Under this scenario, reductions of 8% in electricity costs, 14% in energy, 23% in fossil fuels use and CO2 emissions for the transportation and electricity production sectors could be expected.

Conversão de um veículo de combustão em veículo elétrico

Trabalho final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica Ramo Manutenção e Produção

Mobi_System: A Personal Travel Assistance for Electrical Vehicles in Smart Cities

In this work it is proposed the design of a mobile system to assist car drivers in a smart city environment oriented to the upcoming reality of Electric Vehicles (EV). Taking into account the new reality of smart cites, EV introduction, Smart Grids (SG), Electrical Markets (EM), with deregulation of electricity production and use, drivers will need more information for decision and mobility purposes. A mobile application to recommend useful related information will help drivers to deal with this new reality, giving guidance towards traffic, batteries charging process, and city mobility infrastructures (e. g. public transportation information, parking places availability and car & bike sharing systems). Since this is an upcoming reality with possible process changes, development must be based on agile process approaches (Web services).

Smart Electric Vehicle Charging System

In this work is proposed the design of a system to create and handle Electric Vehicles (EV) charging procedures, based on intelligent process. Due to the electrical power distribution network limitation and absence of smart meter devices, Electric Vehicles charging should be performed in a balanced way, taking into account past experience, weather information based on data mining, and simulation approaches. In order to allow information exchange and to help user mobility, it was also created a mobile application to assist the EV driver on these processes. This proposed Smart ElectricVehicle Charging System uses Vehicle-to-Grid (V2G) technology, in order to connect Electric Vehicles and also renewable energy sources to Smart Grids (SG). This system also explores the new paradigm of Electrical Markets (EM), with deregulation of electricity production and use, in order to obtain the best conditions for commercializing electrical energy.

The electric vehicle integration into the power system: an application to the portuguese case

Electric vehicles (EV) offer a great potential to address the integration of renewable energy sources (RES) in the power grid, and thus reduce the dependence on oil as well as the greenhouse gases (GHG) emissions. The high share of wind energy in the Portuguese energy mix expected for 2020 can led to eventual curtailment, especially during the winter when high levels of hydro generation occur. In this paper a methodology based on a unit commitment and economic dispatch is implemented, and a hydro-thermal dispatch is performed in order to evaluate the impact of the EVs integration into the grid. Results show that the considered 10 % penetration of EVs in the Portuguese fleet would increase load in 3 % and would not integrate a significant amount of wind energy because curtailment is already reduced in the absence of EVs. According to the results, the EV is charged mostly with thermal generation and the associated emissions are much higher than if they were calculated based on the generation mix.

Conversão de veículos diesel para tração elétrica

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Is the electric vehicle a solution for the wind power integration in the portuguese power system?

The integration of Plug-in electric vehicles in the transportation sector has a great potential to reduce oil dependency, the GHG emissions and to contribute for the integration of renewable sources into the electricity generation mix. Portugal has a high share of wind energy, and curtailment may occur, especially during the off-peak hours with high levels of hydro generation. In this context, the electric vehicles, seen as a distributed storage system, can help to reduce the potential wind curtailments and, therefore, increase the integration of wind power into the power system. In order to assess the energy and environmental benefits of this integration, a methodology based on a unit commitment and economic dispatch is adapted and implemented. From this methodology, the thermal generation costs, the CO2 emissions and the potential wind generation curtailment are computed. Simulation results show that a 10% penetration of electric vehicles in the Portuguese fleet would increase electrical load by 3% and reduce wind curtailment by only 26%. This results from the fact that the additional generation required to supply the electric vehicles is mostly thermal. The computed CO2 emissions of the EV are 92 g CO2/kWh which become closer to those of some new ICE engines.

Multi-agent management system for electric vehicle charging

This paper proposes an implementation, based on a multi-agent system, of a management system for automated negotiation of electricity allocation for charging electric vehicles (EVs) and simulates its performance. The widespread existence of charging infrastructures capable of autonomous operation is recognised as a major driver towards the mass adoption of EVs by mobility consumers. Eventually, conflicting requirements from both power grid and EV owners require automated middleman aggregator agents to intermediate all operations, for example, bidding and negotiation, between these parts. Multi-agent systems are designed to provide distributed, modular, coordinated and collaborative management systems; therefore, they seem suitable to address the management of such complex charging infrastructures. Our solution consists in the implementation of virtual agents to be integrated into the management software of a charging infrastructure. We start by modelling the multi-agent architecture using a federated, hierarchical layers setup and as well as the agents' behaviours and interactions. Each of these layers comprises several components, for example, data bases, decision-making and auction mechanisms. The implementation of multi-agent platform and auctions rules, and of models for battery dynamics, is also addressed. Four scenarios were predefined to assess the management system performance under real usage conditions, considering different types of profiles for EVs owners', different infrastructure configurations and usage and different loads on the utility grid (where real data from the concession holder of the Portuguese electricity transmission grid is used). Simulations carried with the four scenarios validate the performance of the modelled system while complying with all the requirements. Although all of these have been performed for one charging station alone, a multi-agent design may in the future be used for the higher level problem of distributing energy among charging stations. Copyright (c) 2014 John Wiley & Sons, Ltd.

O impacto energético e as emissões de CO2 dos veículos eléctricos em Portugal

Para a diminuição da dependência energética de Portugal face às importações de energia, a Estratégia Nacional para a Energia 2020 (ENE 2020) define uma aposta na produção de energia a partir de fontes renováveis, na promoção da eficiência energética tanto nos edifícios como nos transportes com vista a reduzir as emissões de gases com efeito de estufa. No campo da eficiência energética, o ENE 2020 pretende obter uma poupança energética de 9,8% face a valores de 2008, traduzindo-se em perto de 1800 milhões de tep já em 2015. Uma das medidas passa pela aposta na mobilidade eléctrica, onde se prevê que os veículos eléctricos possam contribuir significativamente para a redução do consumo de combustível e por conseguinte, para a redução das emissões de CO2 para a atmosfera. No entanto, esta redução está condicionada pelas fontes de energia utilizadas para o abastecimento das baterias. Neste estudo foram determinados os consumos de combustível e as emissões de CO2 de um veículo de combustão interna adimensional representativo do parque automóvel. É também estimada a previsão de crescimento do parque automóvel num cenário "Business-as-Usual", através dos métodos de previsão tecnológica para o horizonte 2010-2030, bem como cenários de penetração de veículos eléctricos para o mesmo período com base no método de Fisher- Pry. É ainda analisado o impacto que a introdução dos veículos eléctricos tem ao nível dos consumos de combustível, das emissões de dióxido de carbono e qual o impacto que tal medida terá na rede eléctrica, nomeadamente no diagrama de carga e no nível de emissões de CO2 do Sistema Electroprodutor Nacional. Por fim, é avaliado o impacto dos veículos eléctricos no diagrama de carga diário português, com base em vários perfis de carga das baterias. A introdução de veículos eléctricos em Portugal terá pouca expressão dado que, no melhor dos cenários haverão somente cerca de 85 mil unidades em circulação, no ano de 2030. Ao nível do consumo de combustíveis rodoviários, os veículos eléctricos poderão vir a reduzir o consumo de gasolina até 0,52% e até 0,27% no consumo de diesel, entre 2010 e 2030, contribuindo ligeiramente uma menor dependência energética externa. Ao nível do consumo eléctrico, o abastecimento das baterias dos veículos eléctricos representará até 0,5% do consumo eléctrico total, sendo que parte desse abastecimento será garantido através de centrais de ciclo combinado a gás natural. Apesar da maior utilização deste tipo de centrais térmicas para produção de energia, tanto para abastecimento das viaturas eléctricas, como para o consumo em geral, verifica-se que em 2030, o nível de emissões do sistema electroprodutor será cerca de 46% inferior aos níveis registados em 2010, prevendo-se que atinja as 0,163gCO2/kWh produzido pelo Sistema Electroprodutor Nacional devido à maior quota de produção das fontes de energia renovável, como o vento, a hídrica ou a solar.

Impacto da integração dos veículos eléctricos nos edifícios multi-habitacionais, nas redes de distribuição de baixa tensão e no diagrama de carga nacional

Associado à escassez dos combustíveis fósseis e ao desejado controlo de emissões nocivas para a atmosfera, assistimos no mundo ao desenvolvimento do um novo paradigma — a mobilidade eléctrica. Apesar das variações de maior ou menor arbítrio político dos governos, do excelente ou débil desenvolvimento tecnológico, relacionados com os veículos eléctricos, estamos perante um caminho, no que diz respeito à mobilidade eléctrica, que já não deve ser encarado como uma moda mas como uma orientação para o futuro da mobilidade. Portugal tendo dado mostras que pretende estar na dianteira deste desafio, necessita equacionar e compreender em que condições existirá uma infra-estrutura nacional capaz de fazer o veículo eléctrico vingar. Assim, neste trabalho, analisa-se o impacto da mobilidade eléctrica em algumas dessas infra-estruturas, nomeadamente nos edifícios multi-habitacionais e redes de distribuição em baixa tensão. São criados neste âmbito, quatro perfis de carregamento dos EVs nomeadamente: nas horas de chegada a casa; nas horas de vazio com início programado pelo condutor; nas horas de vazio controlado por operador de rede (“Smart Grid”); e um cenário que contempla a utilização do V2G. Com a obrigação legal de nos novos edifícios serem instaladas tomadas para veículos eléctricos, é estudado, com os cenários anteriores a possibilidade de continuar a conceber as instalações eléctricas, sem alterar algumas das disposições legais, ao abrigo dos regulamentos existentes. É também estudado, com os cenários criados e com a previsão da venda de veículos eléctricos até 2020, o impacto deste novo consumo no diagrama de carga do Sistema Eléctrico Nacional. Mostra-se assim que a introdução de sistemas inteligentes de distribuição de energia [Smartgrid e vehicle to grid” (V2G)] deverá ser encarada como a solução que por excelência contribuirá para um aproveitamento das infra-estruturas existentes e simultaneamente um uso acessível para os veículos eléctricos.

Desenvolvimento do sistema de tracção de um veículo eléctrico ecológico com travagem regenerativa

Nesta dissertação descreve-se uma metodologia de dimensionamento do sistema de tracção para equipar um veículo eléctrico ecológico (VEECO) com inclusão de um sistema de travagem regenerativa. Apresenta-se uma perspectiva geral de diversas topologias de sistemas de tracção utilizadas nos veículos eléctricos e realiza-se a sua comparação através do estudo e análise dos acionamentos electromecânicos que podem ser utilizados nesses sistemas de tracção eléctrica. Utilizando ferramentas de simulação numérica, estuda-se o modelo matemático de um veículo eléctrico com travagem regenerativa. A partir deste modelo matemático é adoptado uma possível configuração para o seu sistema de tracção eléctrica e são obtidas características teóricas de desempenho do veículo eléctrico, através da análise de testes padrão ao veículo. Em banco de ensaios, constrói-se um sistema de tracção eléctrica que permite a validação experimental do modelo matemático do veículo eléctrico. Para a construção deste banco de ensaios foram concebidos os sistemas de tracção eléctrica, de carga mecânica e de controlo e monitorização do banco de ensaios. A validação experimental realiza-se através dos mesmos testes padrão ao veículo eléctrico, como o teste NEDC (New European Driving Cycle), o teste de aceleração entre 0 e 100km/h e o teste de gradeabilidade. Desenvolve-se o dimensionamento do sistema de tracção eléctrica a equipar o VEECO, através da componente de modelação paramétrica do modelo matemático do veículo eléctrico. Com esta metodologia é adoptado um conjunto de variáveis paramétricas relacionadas com os elementos que constituem o sistema de tracção eléctrica do VEECO. Estuda-se a influência destas variáveis paramétricas nas características de desempenho pretendidas para o VEECO. Como resultado da análise de modelação paramétrica é apresentada uma solução para o sistema de tracção eléctrica do VEECO que cumpre a execução do NEDC, apresenta um tempo de aceleração entre 0 e 100km/h inferior a 10 segundos, supera uma gradeabilidade de 10% e uma autonomia de 200 km. O sistema de tracção do VEECO também permite realizar a travagem regenerativa com rendimento até 33%. Possui controlo de tracção e anti bloqueio da roda motora, através de uma unidade de controlo que permite reduzir a potência transmitida ao veio, quando a velocidade da roda de tracção difere do valor de referência da velocidade do veículo. Os conhecimentos adquiridos através do processo de investigação e desenvolvimento, para a realização da presente dissertação permitem apresentar perspectivas de desenvolvimento futuro com aplicação nos sistemas de tracção de veículos eléctricos rodoviários.

Desenvolvimento do sistema de protecção, monitorização e gestão de baterias de iões de lítio do tipo LiFePO4 para aplicação em veículos eléctricos

A mobilidade é considerada um dos factores chave na sustentabilidade e desenvolvimento de qualquer economia. Em Portugal essa realidade não é diferente. Em 2011 verifica-se que 41% do consumo global de combustíveis pertence ao sector rodoviário [1] o que evidencia a sua relevância na economia do país. No que concerne aos veículos de tracção eléctrica, começaram a surgir nos finais do séc. XIX, e no início do séc. XX nos Estados Unidos da América representavam 38% dos veículos [2]. Diversos factores económicos e tecnológicos conduziram a um crescente desinteresse por parte da indústria em investir na produção deste tipo de veículos. Contudo com a introdução de baterias de iões de lítio em veículos de tracção eléctrica, torna-os viáveis e competitivos. Neste trabalho é proposto o desenvolvimento de um sistema de gestão de baterias de iões de lítio do tipo LiFePO4 para aplicação em veículos eléctricos. O sistema deverá assegurar a protecção das baterias e indicar o estado de carga das mesmas. Este sistema permitirá uma optimização no uso deste género de baterias, proporcionará uma melhor utilização, aumentando a sua vida útil. O sistema irá ser aplicado e testado experimentalmente no veículo eléctrico ecológico (Veeco). No âmbito do projecto Veeco foi projectado e construído um banco de ensaios utilizado na análise do comportamento das baterias, e determinar quais os requisitos necessários para o sistema de gestão desenvolvido. Foi também projectado e realizado um sistema de aquisição e processamento de dados que permite obter informações acerca da bateria, dados que estarão disponíveis no interface Homem-máquina do Veeco.

Estudo do impacto energético, económico e ambiental da penetração de veículos eléctricos num sistema isolado

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Energia

Projecto da suspensão do VEECO RT

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica