Planning the Charging Infrastructure for Electric Vehicles in Cities and Regions

Johannes Wirges
This thesis treats the planning of the charging infrastructure for electric vehicles (EVs) in cities and regions. The thesis incorporates a broad range of technological, economic, political, and behavioral aspects. Such an encompassing vision does not seem to have been presented in any previously published work. The document can be used as a scientifically founded handbook for German and international urban and infrastructure planners. It can also be used as a reference work for experts in
more » ... fic domains of electric mobility who need information on aspects of the charging infrastructure for EVs lying outside their area of expertise. The thesis presents both original research as well as extensive evaluation of literature. The report starts with a discussion of technologies for the charging of EVs, namely charging via cable, induction, and battery switching. The associated information and communication technologies for the operation and use of the infrastructure are also treated. The evaluation of advantages and disadvantages of different technological options indicates that charging via cable is and will be the most commonly used technology in the near future. Then interactions of EV charging and the electricity system are discussed. Different phenomena occurring on the level of generation, storage, transmission, distribution, and local use of electricity are considered. Evaluating the order of scale of occurring effects shows these can be expected to be negligible on the national scale but significant on the local scale. Efforts should therefore concentrate on mitigating negative impacts on the local level of distribution networks and building installations. The demand for public charging infrastructure is discussed from the EV drivers', infrastructure providers', and public service providers' perspective. A conflict can be seen between high demand for charging points currently stated by EV i Abstract drivers and political organizations and low demand when considering a minimal necessary level utilization from the infrastructure providers' perspective. A formula is introduced that allows to calculate quotas of charging points per EVs, dependent on technical parameters, charging behavior, and a demanded minimal level of utilization. The economic side of public charging infrastructure is then considered, notably by doing calculations for selected business models. The results show that it is difficult to operate public charging stations profitably. Possible solutions can be the display of advertisement at the charging stations or their cross financing by other services and products sold at the location. Also, the German state could pay subsidies for charging stations, for instance in the form of a subsidy paid per charged kWh. Sobald Standorte von Ladestationen auf der regionalen Ebene bestimmt sind, muss die Planung auf der Straßenebene verfeinert werden. Die diversen technischen und stadtplanerischen Aspekte, die eine Rolle spielen, werden diskutiert. Die verschiedenen Genehmigungen und Verträge, die erlangt werden müssen, werden ebenfalls behandelt. Dann wird gezeigt, wie die Kriterien für die Standortplanung auf Straßenebene und die Erfordernisse der Genehmigungsabläufe in operativen Planungsprozeduren vereint werden können. Nachdem Ladestationen in einer Region aufgebaut wurden, müssen sie betrieben und gewartet werden. Es wird diskutiert, welche Tätigkeiten dies beinhaltet. Aktuelle Berichte von EF-Fahrern werden ausgewertet, um die Mängel des momentanen Betriebs der EF-Infrastruktur aufzuzeigen. vii Zusammenfassung Ein weiterer Schritt nach Betrieb und Wartung ist die langfristige Entwicklung der Ladeinfrastruktur. Ein Modell wird vorgestellt, das die zeit-räumliche Entwicklung einer Ladeinfrastrukutr für EF in der Region Stuttgart in den Jahren 2010 -2020 simuliert. Das Modell nimmt die Entwicklung des EF-Besitzes als Input und berechnet zugehörige Ladeinfrastrukturszenarien basierend auf berechneten Quoten von Ladepunkten pro EF und den Pendlerströmen zwischen Gemeinden. Die vielen Aspekte einer Ladeinfrastruktur für EF, die in dieser Arbeit behandelt werden, können in zwei globale Sichtweisen integriert werden, die in der Einführung dieser Dissertation gezeigt werden. Verschiedene Aspekte können als Wissensmodule gesehen werden, die durch bestimmte Informationen verbunden sind. Als Alternative kann eine prozessorientierte Sichtweise eingenommen werden, in der die Betonung darauf liegt, welche Methoden und Hintergrundinformationen in welcher Stufe des Prozesses der Planung und des Aufbaus einer EF-Ladeinfrastruktur benötigt werden. viii Prof. Dr.-Ing. Markus Friedrich of the Institut für Straßen-und Verkehrswesen (ISV), Lehrstuhl für Verkehrsplanung und Verkehrsleittechnik at the University of Stuttgart accepted to be cosupervisor. He also provided helpful tips for the improvement of the final manuscript. EIFER group managers Boris Al-Nasrawi and Andreas Koch allowed the author to visit the required postgraduate courses at the university and take one day per week off to work on this thesis. The chapters on the technology of EV charging (Chap. 2) and the interactions of EV charging and the electricity system
doi:10.5445/ksp/1000053253 fatcat:wutf52lu5jd3raevkkvqqqbok4