Ny tankegang innen kraftbalansering

– Idéen er å utnytte den enorme batteribanken som en flåte av elektriske kjøretøy utgjør, og bruke dette til å løse kapasitetsproblemer i nettet, samtidig som vi kan lade bilene når det er billigst, forteller teknisk direktør i Chargerly, Raymond van der Rots.

Forskning

I samarbeid med en forskergruppe ved Universitetet i Stavanger utvikler van der Rots og Chargerly teknologi som kan håndtere svitsjing av høye spenninger med lite forvrengning. Leder for denne forskningsgruppen, førsteamanuensis Arnfinn Aas Eielsen, peker på utfordringen, men også mulighetene, ved å overføre svitsjeteknologi fra lavspenningskretser til kraftelektronikk på flere hundre volt.

Anvendt fysikk

– Dette startet opprinnelig som et «anvendt fysikk»-prosjekt, men som åpnet muligheter også innen fornybar energi. Her har vi med bakgrunn i signalbehandling og kybernetikk kunnet fritenke sammen med fysikkfolk, og ikke være bundet av tradisjoner, fremholder Eielsen. – Den samme fysikken gjelder for lave og høye spenninger. Selv om utstyret er større, oppfører det seg på samme måte. Imidlertid må det bygges opp «know-how», og det har vi gjort – fra scratch!

Ligger i front

– Dette er noe Chargerly kan dra nytte av, ved å lage noe helt nytt, sier van der Rots. Når det dukker opp mange omformerbaserte enheter på kraftnettet, inkludert fornybare energikilder, elbiler og annet, trengs det også aktiv regulering for at ikke nettet skal bryte sammen, og her kommer teknologien i Chargerlys omformerprosjekt inn i bildet.

Må løses i maskinvare

Noe av teknologien har bakgrunn i Eielsens doktorgrad knyttet til avbildning av molekyler med atomisk oppløsning, for å kunne oppnå bedre styring av digital-til-analogomformere. – Det vi fant, var at utstyret må gjøres bedre, ikke algoritmene. For å oppnå lavere støynivå i digital-til-analogomformere må dette gjøres i maskinvare, understreker han: – Støygulvet er satt av fysikken – da hjelper det ikke med KI, påpeker han.

Svitsjing med 1500 V

Ifølge van der Rots går prosjektet bra, og nærmer seg nå kommersialisering. – Denne teknologien kan løse mange problemer innen kraftelektronikk, ikke bare knyttet til elbillading, sier han. – Her har vi gått fra kretser på nano- og mikrovolt til hundrevis av volt på kretskort – teknologien anvendes til både likeretting og vekselretting – og vi kan operere med spenninger opp til 1500 volt! Nå har vi fått testet ulike topologier og satt dem i system, fremholder han.

Måleutfordring

God instrumentering er viktig når man skal overføre teoretiske modeller til fysiske produkter. – Men det er en stor utfordring å måle signaler både med høy presisjon og høy tidsoppløsning, tilføyer van der Rots. Når man har høy spenning, høy strøm, rask svitsjefrekvens óg kortvarige transienter strekker vanlig utstyr ikke til. Men også det har man løst. – Vi bruker det beste utstyret som fins, og lager det som ikke fås kjøpt kommenterer Eielsen. De integrerte kretsene blir utviklet i samarbeid med mikroelektronikklaben på NTNU, mens høyspenningsmålingene blir testet på kraftelektronikklabben til Universitet i Agder (UiA) i Grimstad. Videre samarbeider de med Justervesenet for å oppnå gode nok referanser.

Må teste

En av utfordringene er å måle tidsvarierende signaler. Tradisjonelt måler man RMS, men en slik gjennomsnittsmåling sier ingenting om det er en fin sinus, eller en stygg firkantspenning, sier van der Rots. Det finnes ingen etablerte standarder som gir en helhetlig og sporbar tallfesting av forvrengning. – På samme måte kan vi ikke stole på datablad for elektronikken vi kjøper – vi må teste selv, understreker han.

Så potensiale

Van der Rots har god erfaring med elbilladere – han var bl.a. med på å starte opp Wallbox i Norden, og fungerte som bindeledd mellom teamene i de ulike landene. Under arbeid med sin doktorgrad i Stavanger ble han invitert til å delta i utvikling av en ny elbillader. Han hadde allerede gjort 2-3 pilotprosjekter på V2G (vehicle-to-grid) teknologi, og så mulighetene for at dette markedet kunne løsne, spesielt da innen flåter av elbiler.

Problemer i nettet

– Samtidig er det utfordrende å lade mange biler på en plass, på grunn av omformere med mye forvrengning og begrenset kapasitet i nettet. – Idéen gikk ut på å se flåten som en enorm batteribank, med flyt av energi mellom biler og nett. Det kunne løse mange av kapasitetsproblemene, forteller han. – Med dynamisk lading vil det oppstå mange utfordringer i nettet som ennå ikke er tatt tak i. Vi har vært heldige til nå, mener han.

Stabil kilde

– Løsningen må være at kraftelektronikken må oppføre seg som «langsomt roterende masser» i likhet med tradisjonelle energikilder, som gass-, kjerne- og vannkraft. Det vil si, balansere effekt, redusere støy under strømtrekk og følge nettfrekvensen, forklarer van der Rots. – Med en stor last i form av flåtebiler kan Chargerlys teknologi ha stor påvirkning på strømkvaliteten i nettet. Ikke minst i «svake nett» i periferien, som gjerne er dominert av solceller og andre omfomerbaserte kilder og laster.

Inverter

Kjerneteknologien i Chargerlys konsept er derfor omformeren, som forbinder alle ladepunktene og kobler alle elbilene til én stor batterikilde. Idéen er ikke helt ny – f.eks. har hjemmestadionet til fotballklubben Ajax en batteribank som leverer strøm til stadionet fra elbilene som er plugget i. – Men at denne batterikilden skal oppføre seg som en «stor, roterende masse» har ikke blitt gjort før, påstår van der Rots.

Neste bølge

I Norge har vi allerede en stor andel elbiler. Neste bølge vil være lastebiler og varebiler – som vil ha et minst like stort behov. Og det i et kraftnett som ikke er dimensjonert for det – på langt nær. Derfor kan Chargerly være en velkommen aktør med tanke på å kompensere for ustabilitet i nettet. Og forretningsmodellen går ut på å tjene penger på både ladesystemene og nettstabilitet (i form av reservekraft).

Høyspent svitsjing

Chargerly skal i utgangspunktet ikke lage selve laderne (men det kan endre seg). Imidlertid utvikler de et likespenningsnett, en såkalt DC microgrid, med en spenning på 1500 V som forbinder elbilladerne med batteribanken og den omtalte omformeren, som igjen omdanner likespenningen til en vekselspenning på 400 V. Dette skal forenkle topologien og øke effektiviteten, ettersom det ikke trengs AC/DC-omformere på veien. Og altså muliggjort gjennom selskapets høyspennings svitsjeteknologi.

DC-nett er tingen

– Vår IP ligger i omformeren, bekrefter van der Rots. – Vi har flere potensielle partnere som ønsker å delta med sine ladere. Men vurderer å lage en egen lader som er tilpasset flåter, eventuelt høyere ladeeffekter. De fleste ladere på markedet i dag er AC-basert – det funker ikke. Resten er AC/DC. Mens her trengs det noe som kan kobles på DC-bussen. Selve bilen er jo også DC, så der vil man i praksis slippe mange problemstillinger med støyskapende omforming, påpeker han.

Beredskap

– Det gjelder å tenke kreativt – dette er jo også utmerket til beredskap. Med kun 10 biler i et DC-nett i en blokk har man 1 MWh tilgjengelig som reservekraft – det varer en stund, fremholder van der Rots.

Nå regner Chargerly med å ha en pilot av sitt omformersystem klar neste år, og forhåpentligvis kunne introdusere et produkt på markedet i 2027/28.