Essais sur la participation des véhicules électriques sur les marchés de l'énergie : aspects économiques véhicule-à-réseau (V2X) et considérations relatives à la dégradation des batteries

par Andrew W. Thompson

Thèse de doctorat en Sciences économiques

Sous la direction de Yannick Perez.

Le président du jury était Pascal Da Costa.

Le jury était composé de Yannick Perez, Pascal Da Costa, Patrice Geoffron, Guy Fournier, Fethi Ben Ouezdou, Carine Staropoli.

Les rapporteurs étaient Patrice Geoffron, Guy Fournier.


  • Résumé

    Vehicle-to-Anything (V2X) est un terme générique qui explique l'utilisation de batteries de véhicules électriques pour obtenir une valeur supplémentaire lors de périodes de non-utilisation. Les services V2X génèrent des revenus de la batterie grâce à la charge dynamique monodirectionnelle (V1X) ou bidirectionnelle (V2X) afin de fournir des avantages au réseau électrique, de réduire la consommation énergétique des bâtiments et des maisons ou de fournir une alimentation de secours aux charges. Une méta-analyse du potentiel économique donne des résultats contradictoires avec la littérature et indique que la gestion de la consommation électrique, l'adéquation des ressources et le report de l’investissement dans le réseau ont plus de valeur que d’arbitrage sur les marchés d’énergie et réserve secondaire. Bien que je convienne que le développement soit pour et par le marché, je souligne que V2X se développera dans les limites du contexte réglementaire; les régulateurs ont donc un rôle de catalyseur à jouer.Une question importante est de savoir dans quelle mesure une utilisation supplémentaire de la batterie du véhicule affectera la capacité de la batterie au cours de sa durée de vie. Il est donc essentiel de comprendre les subtilités de la dégradation de la batterie pour estimer les coûts. Les batteries Li-ion sont des systèmes électrochimiques compliqués qui présentent deux phénomènes de dégradation simultanés, le vieillissement calendaire et le vieillissement cyclique. Dans les applications véhiculaires, le vieillissement du calendrier a tendance à être l’effet dominant de dégradation de la durée de vie, ce qui réduit le temps, élément le plus important de la dégradation; par conséquent, le coût de la dégradation dépend fondamentalement du temps.Une affirmation centrale de cette thèse est que le coût marginal de V2X n’est ni nul ni négligeable comme l’a accepté la littérature économique, mais dépend fortement de la dégradation de la batterie. Nous proposons ici une théorie des coûts marginaux V2X qui repose sur deux principes: 1.) il existe un coût d’efficacité associé au chargement de la batterie, et 2.) le véritable coût de dégradation de V2X prend en compte le coût d’opportunité, c’est-à-dire, la dégradation au-delà de ce qu’aurait été l’utilisation normale du véhicule.Avoir un concept clair du coût marginal de V2X, permet de comptabiliser et d’équilibrer correctement tous les coûts réels: coût de l’électricité, coûts d’efficacité du système et dégradation de la batterie. Cela permettra d’élaborer des stratégies de charge optimales et d’informer correctement les offres du marché de l’énergie. Il en résulte une compréhension plus nuancée des coûts marginaux. L’impact de la batterie V2X sur la vie de la batterie pourrait être considéré comme un coût, un bénéfice ou nul. Je conclus que le V2X peut offrir une valeur économique supérieure à celle précédemment entendue et que cette valeur supplémentaire sera réalisée grâce à l'amélioration simultanée de l'efficacité de la charge et de la réduction de la dégradation de la batterie EV.

  • Titre traduit

    Essays on Electric Vehicle Participation in Energy Markets : Vehicle-to-Grid (V2X) Economics and Battery Degradation Considerations


  • Résumé

    Vehicle-to-Anything (V2X) is an umbrella term to explain the use of electric vehicle batteries to derive additional value during times of non-use. V2X services generate revenue from the battery asset through dynamic mono-directional (V1X) or bi-directional (V2X) charging to provide benefits to the electric grid, to reduce energy consumption of buildings and homes, or to provide back-up power to loads. A meta-analysis of economic potential gives results contradictory to the literature and indicates that Bill Management, Resource Adequacy, and Network Deferral are more valuable than Energy Arbitrage and Spinning Reserves. While I concur that development is of and by the market, I emphasize that V2X will develop within the constraints of the regulatory environment; therefore regulators have an enabling role to play.An important question is to what extent additional use of the vehicle battery will affect battery capacity over its lifetime, therefore understanding the intricacies of battery degradation is crucial to estimate costs. Li-ion batteries are complicated electrochemical systems which exhibit two concurrent degradation phenomena, Calendar Aging and Cycling Aging. In vehicular applications, Calendar Aging tends to be the dominating life degradation effect, which reduces to time being the most important component of degradation; therefore degradation cost is fundamentally time-dependent.A central claim of this dissertation is that gls{v2x} Marginal Cost is not zero nor negligible as the economic literature has accepted but is highly dependent on battery degradation. Herein, a gls{v2x} Marginal Cost Theory is proposed which is based on two main principles: 1.) there is an efficiency cost associated with charge operation, and 2.) the true gls{v2x} degradation cost takes opportunity cost into account, that is, only considers degradation beyond what would have been experienced by operating the vehicle normally.Having a clear concept of gls{v2x} Marginal Cost which can properly account for and balance all true costs: the cost of electricity, the system-efficiency costs, and battery degradation, will allow for development of optimal charge strategies and will properly inform energy market bids. This results in a more nuanced understanding of marginal costs as the resultant battery lifetime impact from gls{v2x} can be either be considered a cost, a benefit, or zero. I conclude that gls{v2x} may offer greater economic value than previously understood and that this additional value will be realized through the simultaneous improvement in charge efficiency and reduction of gls{ev} battery degradation.


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