Energiewirtschaftliches Seminar IfE - Forschungsstelle für ...
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11<br />
Fahrprofile und Ladeleistungsbedarf von Elektrostraßenfahrzeugen<br />
<strong>Energiewirtschaftliches</strong> <strong>Seminar</strong> <strong>IfE</strong><br />
Dipl.-Ing. Tomás Mezger<br />
Dipl.-Ing. Lorenz Köll<br />
München, den 20.07.2009
Agenda<br />
2<br />
Einführung<br />
Ermittlung der Ladelastgänge von Elektrostraßenfahrzeugen<br />
Lademöglichkeiten von Elektrostraßenfahrzeugen<br />
Diskussion
Elektrizitätswirtschaftliche Einbindung von ESF - Methodik<br />
3<br />
PKW Bestand in D<br />
Nutzungs-<br />
klassen<br />
Anzahl Pkw<br />
&<br />
Jahresfahr-<br />
leistungen<br />
Substitutions-<br />
grade<br />
Substituierte<br />
Pkw und<br />
deren<br />
Jahresfahr-<br />
leistung<br />
Technisches<br />
Potenzial<br />
Verbrauch<br />
20 kWh/100 km<br />
Zusätzlicher<br />
Strombedarf<br />
Lastgang<br />
Ladeverhalten
Einteilung in Nutzungsklassen<br />
4<br />
Fahrzeug<br />
Halter: Unternehmen Halter: Privatperson<br />
Privater<br />
Pkw<br />
Pendler-<br />
fahrzeug<br />
Bis 10 km 10- 25 km 25- 50 km Über 50 km<br />
Quelle: ViZ 06
Anzahl Pkw und Jahresfahrleistung<br />
5<br />
Geschäftlich<br />
Pendler, bis 10 km<br />
Pendler, 10 - 25 km<br />
Pendler, 25 – 50 km<br />
Pendler, über 50 km<br />
Privat<br />
Quelle: eigene Darstellung nach<br />
BMVBS (2006) und destatis (2005)<br />
4,9 Mio. Pkw - 109 Mrd. km jährlich<br />
7,4 Mio. Pkw - 51 Mrd. km jährlich<br />
7,0 Mio. Pkw - 81 Mrd. km jährlich<br />
2,9 Mio. Pkw - 57 Mrd. km jährlich<br />
1,2 Mio. Pkw - 36 Mrd. km jährlich<br />
22,8 Mio. Pkw - 255 Mrd. km jährlich<br />
46 Mio. Pkw - 590 Mrd. km jährlich
Referenz-Fahrzeuge<br />
6<br />
Bauweise<br />
Pessimistisches Szenario Optimistisches Szenario<br />
Conversion Design<br />
Stahl-/ Aluminium-Karosserie<br />
Purpose Design<br />
vorwiegend Verbundstoffe<br />
Fahrzeugklasse Kompaktklasse Kompaktklasse<br />
Leistung 40 bis 80 kW 40 bis 80 kW<br />
Speichersystem NiMH oder Li-Ion Li-Ion<br />
Reichweite ca. 50 km 100 bis 200 km<br />
Höchstgeschwindigkeit 150 km/h 150 km/h<br />
Verbrauch 20 kWh/ 100 km 20 kWh/ 100 km<br />
voraussichtliche<br />
Serienreife<br />
2010 2015
Substituierte Pkw und Energiebedarf<br />
7<br />
Nutzungsklasse<br />
Substitutionsgrad<br />
Pkw<br />
Jahresfahrleistung<br />
Energiebedarf<br />
Substitutionsgrad<br />
Pkw<br />
Jahresfahrleistung<br />
Energiebedarf<br />
in Mio. in % in Stück in Mrd. km in TWh in % in Mio. in Mrd. km in TWh<br />
Geschäftlich 4,9 10% 490.000 10,9 2,2 30% 1,5 32,8 Mrd. km 6,6<br />
Pendler,<br />
bis 10 km<br />
Pendler,<br />
10 - 25 km<br />
Pendler,<br />
25 - 50 km<br />
Pendler,<br />
über 50 km<br />
Anzahl<br />
Pkw<br />
Pessimistisches Szenario<br />
7,4 0% 0 0<br />
Privat 22,8 0% 0 0 0,0 10% 2,3 25,5 Mrd. km 5,1<br />
Summe 46 Mio. 840.000 3,3 TWh 8 Mio. 25,5 TWh<br />
0,0<br />
7,0 3% 210.000 2,5 0,5<br />
2,9 5% 140.000 2,9<br />
1,2 0% 0 0<br />
0,6<br />
0,0<br />
Optimistisches Szenario<br />
10% 0,8 5,1 Mrd. km 1<br />
30% 2,1 24,5 Mrd. km<br />
4,9<br />
50% 1,4 28,8 Mrd. km 5,8<br />
30% 0,3 10,7 Mrd. km<br />
2,1
Energiebedarf <strong>für</strong> Elektromobilität vs. Strombedarf in Deutschland<br />
8<br />
Zum Vergleich: Strombedarf in D. 2007: knapp 620 TWh vs. 25,5 TWh <strong>für</strong> ESF im optimistischen Szenario
Ermittlung des Ladelastgangs<br />
9<br />
Annahme:<br />
Fahrt-<br />
beginn<br />
Energie-<br />
nachfrage<br />
Fahrt-<br />
ende<br />
Lastgang<br />
5 Minuten<br />
Start des<br />
Ladevorgangs
Ergebnisse – Ladelastgang<br />
10<br />
Leistung in GW<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
optimistisch in GW<br />
pessimistisch in GW<br />
Mo Di Mi Do Fr Sa So
Ergebnisse – Resultierender Lastgang<br />
11<br />
Leistung in GW<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
Ladelastgang Optimistisch Ladelastgang Pessimistisch Lastgang<br />
Mo Di Mi Do Fr Sa So
Elektrizitätswirtschaftliche Einbindung von ESF (E.ON-Projekt)<br />
12<br />
Aussagen der Energieversorger<br />
zu den Lastspitzen:<br />
Bei ungeregelter<br />
Ladung werden<br />
sich Ladespitzen<br />
ergeben, die mit<br />
5.000<br />
Versorgungsstruktur kein Problem dar“<br />
der EEX-Spitze<br />
korrelieren<br />
Es ergibt sich die<br />
Notwendigkeit,<br />
das Laden gezielt<br />
zu steuern<br />
Dadurch ergeben<br />
sich Fazit: zusätzliche<br />
Möglichkeiten <strong>für</strong><br />
verschiedene<br />
Geschäftsmodelle<br />
Leistung in MW<br />
7.000<br />
6.000<br />
„Die Energiemenge stellt <strong>für</strong> die aktuelle<br />
4.000<br />
3.000<br />
2.000<br />
1.000<br />
0<br />
Das Problem sind nicht die kWh‘s,<br />
sondern die kW‘s<br />
optimistisch in MW<br />
pessimistisch in MW<br />
EEX-Preise in €<br />
„Die Spitzen korrelieren mit den<br />
Hochpreisphasen.<br />
Das ist in der Zukunft zu vermeiden“<br />
Mo Di Mi Do Fr Sa So<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
EEX-Preise in €/MWh
Zwischenfazit<br />
13<br />
Durch Analyse der Pkw-Nutzungsklassen lassen sich die jeweiligen ESF-<br />
Potenziale abschätzen.<br />
Der ungesteuerte Ladelastgang erhöht die Lastspitze.<br />
Lastspitzen fallen beim ungesteuerten Laden mit EEX-Preisspitzen<br />
zusammen.<br />
Eine gesteuerte Ladung ist sinnvoll.<br />
→ Projekt KW21 BY 2E „Einsatzmöglichkeiten von<br />
Elektrostraßenfahrzeugen zum Lastmanagement“
Was ist V2G?<br />
14<br />
Power from the Vehicle<br />
to the Grid<br />
Impliziert bidirektionalen<br />
Leistungsfluss<br />
Schließt einfache<br />
Modelle wie Nachtladen<br />
aus<br />
Communication from<br />
the Vehicle to the Grid<br />
Zentrale Leitstelle<br />
„regelt“ das Laden der<br />
Autos<br />
P el
Ladekonzepte<br />
15<br />
Peak Shaving<br />
PRL<br />
Referenz:<br />
ungeregeltes Laden<br />
Ladekonzepte<br />
Teilnahme<br />
Regelleistungsmärkte<br />
SRL<br />
Nachtladen<br />
Ladungsunterbrechung<br />
MR<br />
Bottleneck<br />
Veredelung EE
Zukünftiges Elektrostraßenfahrzeug?<br />
16<br />
Gewicht ESF: 1200 kg<br />
Gewicht der Batterie: 10 kg/kWh<br />
Batteriekapazität: 10 bis 50 kWh<br />
Antriebsleistung: 80 kW<br />
Ladeleistung: 3,5 kW<br />
Quelle: GreenGo Motors, http://www.greengomotors.com
Betrachtete Nutzerklassen<br />
17
Auszug aus dem Fahrprofil <strong>für</strong> die Nutzerklasse Pendler 2<br />
basierend auf dem NEFZ<br />
18
Verlauf der zugehörigen Leistung<br />
19
Laden beim Abruf von negativer Sekundärregelleistung<br />
20<br />
Die Batterie wird zwischen<br />
20 Uhr und 8 Uhr NUR beim<br />
Abruf von SRL in der jeweilige<br />
Regelzone geladen<br />
Betrachtete Regelzonen:<br />
E.ON<br />
EnBW<br />
Nicht beachtet:<br />
Präqualifikationsbedingungen<br />
Leistungsvorhaltung<br />
Anbindungskosten
Sekundärregelleistungsabruf im Netzgebiet E.ON im Jahr 2008<br />
21
Sekundärregelleistungsabruf im Netzgebiet EnBW im Jahr 2008<br />
22
Lademodelle<br />
23<br />
Referenz<br />
Arbeitspreis: 18 ct/kWh<br />
Leistungspreis: 0 ct/kW*h<br />
Ladezeiten: jederzeit<br />
Ladeleistung: 3,5 kW<br />
Nachtladen<br />
Arbeitspreis: 13 ct/kWh<br />
Leistungspreis: 0 ct/kW*h<br />
Ladezeiten: 21 Uhr bis 6 Uhr<br />
Ladeleistung: 3,5 kW<br />
Abruf negativer Sekundärregelleistung<br />
Arbeitspreis: 0 ct/kWh<br />
Leistungspreis: 0 ct/kW*h<br />
Ladezeiten: NT-Phase (20 Uhr bis 8 Uhr)<br />
Ladeleistung: 3,5 kW
Simulation<br />
24<br />
Deterministisches Verfahren in Matlab/Simulink<br />
Zeitschritt: 1 Minute<br />
Simulierter Zeitraum: 1 Jahr<br />
Input Daten<br />
Daten vom ESF<br />
Fahrprofile<br />
Sonst. Daten<br />
Output Daten<br />
SOC-Verlauf<br />
Leistungsflüsse<br />
Batteriezustände<br />
Ermöglicht den Vergleich von Auswirkungen von verschiedenen<br />
Ladekonzepten bei z.B. unterschiedlichen Nutzerklassen
Zeitlicher Verlauf des SOC <strong>für</strong> die Nutzerklasse 2<br />
und das Lademodell Nachtladen<br />
25<br />
SOC:<br />
State of Charge,<br />
Ladezustand
SOC-Verteilung<br />
26
SOC-Verteilung<br />
27
Ladeenergiekosten<br />
28<br />
Achtung:<br />
Gesamtkosten ohne zusätzliche Kosten<br />
<strong>für</strong> Kommunikation, Abrechnung, etc…
Fazit<br />
29<br />
Gola-Neudecker (<strong>IfE</strong>): „Nachtladen ist<br />
energiewirtschaftlich sinnvoll!“<br />
Durch die bisherigen Analysen zeigt sich, dass es<br />
keine Einschränkungen der<br />
Mobilitätsanforderungen durch das<br />
Verschieben der Ladezeiten in der Nacht gibt.<br />
Auch das Laden mit Abruf von SRL hat als<br />
Ladekonzept Potenzial. Weitere Untersuchungen<br />
sind nötig:<br />
Probleme bei nicht ausreichendem Abruf<br />
Leistungsvorhaltung/Präqualifikationsbedingungen<br />
Anbindungskosten
Weitere Projektschritte<br />
30<br />
Im Projekt KW21 BY 2E „Einsatzmöglichkeiten von<br />
Elektrostraßenfahrzeugen zum Lastmanagement“ werden<br />
unter anderem<br />
weitere Ladekonzepte analysiert,<br />
die Rückwirkungen<br />
auf die Batterien<br />
Prüfstandsmessung<br />
ermittelt<br />
1<br />
5<br />
Referenzfall ESF<br />
i-BMS<br />
Projekt läuft<br />
bis 2011<br />
Mehr Informationen<br />
über das Projekt:<br />
www.ffe.de/kw21by2e<br />
Batterie-<br />
simulation<br />
Simulation<br />
2<br />
i-BMS<br />
Energiewirtschaftliche<br />
Anforderungen<br />
4<br />
3<br />
Externe Daten<br />
Auswertung<br />
Daten 2030<br />
7<br />
6
31<br />
Vielen Dank<br />
Dipl.-Ing. Lorenz Köll lkoell@ffe.de<br />
Dipl.-Ing. Tomás Mezger tmezger@ffe.de<br />
Forschungstelle <strong>für</strong> Energiewirtschaft e.V.<br />
www.ffe.de<br />
www.ffe.de/kw21by2e<br />
Am Blütenanger 71<br />
80995 München<br />
Deutschland
KW21 BY 2E – Methodik<br />
33<br />
Referenzfall ESF<br />
• 1 Batteriesystem<br />
• Lade- und Entladevorgänge<br />
(nach NEFZ)<br />
Batteriesimulation<br />
• Matlab/Simulink Modell<br />
Prüfstandsmessung<br />
1<br />
Simulation<br />
2<br />
i-BMS<br />
• Entwicklung eines intelligenten<br />
Batteriemanagementsystems –<br />
Implementierung in der Hardware<br />
i-BMS<br />
• Entwicklung eines intelligenten<br />
Batteriemanagementsystems –<br />
Implementierung in der Software<br />
Energiewirtschaftliche<br />
Anforderungen<br />
• Netzdaten (Regelleistung,<br />
Lastmanagement, EEX-Preise, etc…)<br />
4<br />
5<br />
3<br />
Auswertung<br />
Einsatzmöglichkeiten von ESF zum<br />
Lastmanagement:<br />
• Rückwirkungen auf das Netz<br />
• Geschäftsmodelle<br />
• Anforderung an die IT<br />
• Sensitivitätsanalyse/Zukunftsszenarien<br />
Externe Daten<br />
Verkehrsdaten 2050<br />
• KW21 Phase II<br />
• Zukunftsmodell Energie 2050<br />
7<br />
6
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