Βέλτιστος σχεδιασμός και χωροθέτηση δημόσιων σταθμών φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων

Περιβολάρης, Παναγιώτης

Optimum design and space allocation of vehicle charging stations for public use

Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών (ΜΔΕ), Πανεπιστήμιο Πατρών

Με δεδομένο ότι τα ηλεκτρικά οχήματα και οι υποδομές που απαιτούνται για την ορθή λειτουργία τους διαδραματίζουν και θα διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στο μέλλον, ένα μέρος της έρευνας που γίνεται σήμερα αφορά το θέμα αυτό. Η παρούσα εργασία απασχολείται με τις υποδομές που είναι απαρατήρητες για την υποστήριξη χρήσης των ηλεκτρικών οχημάτων. Συγκεκριμένα διερευνά την επιλογή του σημείου εγκατάστασης σταθμών φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων καθώς και το πόσες θέσεις για φόρτιση θα διαθέτει ο κάθε ένας από αυτούς. Αξιοποιώντας, στο βαθμό που ήταν εφικτό, την μέχρι τώρα έρευνα έγινε προσπάθεια να δημιουργηθεί ένα πλαίσιο αξιολόγησης πιθανών χώρων εγκατάστασης έτσι ώστε τελικά να καταλήξει στη καλύτερη δυνατή ανάπτυξη του δημόσιου δικτύου φόρτισης προκειμένου να ικανοποιήσει τις ανάγκες των χρηστών. Αρχικά η περιοχή μελέτης χωρίζεται σε τμήματα, το μέγεθος των οποίων εξαρτάται από τον μελετητή. Έπειτα αξιολογούνται οι παράγοντες που λειτουργούν θετικά ή αρνητικά για την εγκατάσταση ενός σταθμού σε κάθε ένα από τα τμήματα και το πόσο σημαντικός είναι ο καθένας από αυτούς για το τμήμα. Για παράδειγμα το πλήθος των ηλεκτρικών οχημάτων, η ύπαρξη χώρου στάθμευσης και δημόσιας υπηρεσίας είναι μερικοί από τους παράγοντες αυτούς. Με τον τρόπο αυτό δημιουργείται ένας χάρτης βαρύτητας. Με βάση τον χάρτη αυτό και την εφαρμογή μίας συνάρτησης καταλληλότητας που τοποθετεί τους σταθμούς κεντροβαρικά, έτσι ώστε να είναι σε θέση να εξυπηρετούν όλους τους χρήστες καταλήγουμε σε ένα πολύπλοκο πρόβλημα το οποίο για να επιλυθεί (αν είναι εφικτό) με αναλυτικές μεθόδους, χρειάζεται πάρα πολύ χρόνο. Για τον λόγο αυτό χρησιμοποιούνται μεταευρετικές μέθοδοι βελτιστοποίησης και συγκεκριμένα οι μέθοδοι προσομοιωμένης ανόπτησης και αναζήτησης αρμονίας. Τέλος αφού βρεθεί η λύση, δηλαδή ο αριθμός των σταθμών γίνεται η διαστασιολόγησή τους, δηλαδή πόσες θέσεις φόρτισης θα πρέπει να διαθέτει ο κάθε ένας ώστε να είναι σε θέση να εξυπηρετήσει με ικανοποιητικό τρόπο τη ζήτηση που δημιουργούν οι χρήστες. Η διαστασιολόγηση γίνεται με χρήση θεωρίας τηλεπικοινωνιακής κίνησης και συγκεκριμένα του Μαρκοβιανού μοντέλου απωλειών M/M/s(0) . Το μοντέλο υπολογίζει πόσες θέσεις θα πρέπει να διαθέτει κάθε σταθμός έτσι ώστε να επιτυγχάνεται ένας συγκεκριμένος βαθμός εξυπηρέτησης (Grade Of Service – GOS). Η ανάλυση που γίνεται τελικά υπολογίζει το πλήθος των σταθμών φόρτισης, τις θέσεις φόρτισης ανά σταθμό αλλά και συνολικά και σε ποια τμήματα της περιοχής θα πρέπει να εγκατασταθούν οι σταθμοί για την καλύτερη εξυπηρέτηση. Όλα τα παραπάνω αξιολογούνται για περιοχή μελέτης την πόλη της Πάτρας. Γίνεται ανάλυση έξι σεναρίων στα οποία μεταβάλλεται το ποσοστό ύπαρξης ηλεκτρικών οχημάτων στο σύνολο του στόλου καθώς και ο GOS. Τέλος εξάγονται τα γραφήματα του συνόλου των σταθμών και των θέσεων φόρτισης σε συνάρτηση με το GOS έχοντας σαν παράμετρο το ποσοστό των Battery Electric Vehicles (BEV) στο σύνολο του στόλου και σε συνάρτηση του ποσοστού των BEV έχοντας σαν παράμετρο το GOS. Με την εργασία αυτή γίνεται ουσιαστικά προσπάθεια δημιουργίας μιας μεθοδολογίας σχεδιασμού και ανάπτυξης των δημόσιων υποδομών φόρτισης οι οποίοι θα αποτελούν στο μέλλον αναπόσπαστο κομμάτι του αστικού περιβάλλοντος.

Electric Vehicles and all the necessary infrastructure that is essential to support their proper function will play a very important role in years to come. In nowadays a part of the research is taking place in that field. The present thesis deals with that subject and specifically is exploring the optimal places to install public charging stations for electric vehicles and furthermore how many charging points will be installed in each station. Taking into consideration the recent research in that field so far, an attempt was made for the creation of a framework which leads to the best possible deployment of public charging stations network capable to fulfill users needs. Originally the study area is divided into sections, with size that is determined by the student. Afterwards an evaluation of all the factors which affect positive or negative the installation of a station in each section is taking place. For example, the number of electric vehicles, the existence of a parking or the existence of public service. With that way a weight map is created. Using that map together with a fitness function, which puts all stations in equal distances from the center of gravity in a way to service all users, we create a complex problem which is very difficult (if it is possible) to solve with analytic optimization methods and takes too much time. For that reason, metaheuristic optimization methods are used and in specific the methods of simulated annealing and harmony search. Finally, after finding the solution, the dimensioning of the stations is taking place. Namely the number of charging points for each station in order to be able to serve the requested demand. The dimensioning is created with the use of telecommunication traffic and in particular with the use of Marcov loss model M/M/s(0). The model computes how many charging points will be needed so that each station to serve users with standard grade of service (GOS). The analysis is calculating the number of charging stations, the number of charging points in each station and the sections which are best for the installation of stations. All the above are evaluated using as study area the city of Patras. Six scenarios are analyzed taking as variables the number of electric vehicles as percent of the total vehicle fleet, the percentage of stations public use and the grade of service. Using the results, graphs which represent the total number of stations and the total number of charging points in relation with grade of service using as parameter the percentage of electric vehicles and vise versa. With this thesis an attempt is made to create a methodology for the development and dimensioning a public electric vehicles charging stations network which will play vital part in years to come.