Gesteuertes Laden von Elektrofahrzeugen in Verteilnetzen mit hoher Einspeisung erneuerbarer Energien - Ein Beitrag zur Kopplung von Elektrizitäts- und Verkehrssektor

Aufgrund der angestrebten Klimaneutralität ist mit einer Fortsetzung des Ausbaus erneuerbarer Energien (EE) sowie des Markthochlaufs von Elektro-PKW (E-PKW) zu rechnen. Damit einher gehen Dezentralisierung und Volatilität der Stromerzeugung, räumliche Diskrepanz von Angebot und Nachfrage von Elektrizität sowie höhere Lastspitzen. Entstehende Netzengpässe werden u. a. durch die Abregelung von EE-Anlagen behoben. Dadurch können die vollständigen Potenziale der EE-Anlagen nicht genutzt werden, weshalb weniger EE-Strom produziert wird als möglich ist (sogenannter Überschussstrom). Das gesteuerte Laden von E-PKW stellt eine Chance dar, die Flexibilität der Fahrzeugbatterien z. B. zur Vermeidung dieser EE-Abregelung zu nutzen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Quantifizierung dieses Flexibilitätspotenzials sowie der damit einhergehenden Kosten und Treibhausgasemissionen der Ladeenergie. Dafür wird erstmalig eine Methodik entwickelt, welche die Nutzung abgeregelter EE-Erzeugung in Verteilnetzen für das gesteuerte, auch bidirektionale Laden (Vehicle-to-Grid oder V2G) von E-PKW untersucht und dabei Lastverschiebepotenziale differenziert modelliert. Um die Wechselwirkungen zwischen dem Engpassmanagement eines Verteilnetzbetreibers und dem Lademanagement eines Aggregators abzubilden, werden drei Teilmodelle gekoppelt: Ein lastflussoptimierendes Engpassmanagementmodell für das 110 kV-Netz in Schleswig-Holstein wird um die elektrische Nachfrage der E-PKW und einen Peakshaving-Algorithmus erweitert. Das entwickelte gemischt-ganzzahlige Optimierungsmodell Curtailment-to-Vehicle ermöglicht das Laden der E-PKW mittels Überschussstrom und Strombezug über lokale Elektrizitätsmärkte. Dabei wird eine kosten- sowie eine überschussstromminimierende Ladestrategie untersucht. Basierend auf repräsentativen, empirischen Daten simuliert und aggregiert ein Bottom-Up-Modell die Flexibilitätspotenziale auf Flottenebene. Unsicherheiten hinsichtlich zukünftiger E-PKW-Flexibilitätspotenziale werden mit Szenarien für das Jahr 2030 analysiert. Modellgestützte Analysen für die Fallstudie Schleswig-Holstein zeigen, dass maximal 19 % der EE-Abregelung vermieden werden. Dennoch werden an Netzknoten mit EE-Abregelung und V2G durchschnittlich bis zu 65 % der Ladeenergie mit Überschussstrom gedeckt, an einzelnen Netzknoten sogar 95 %. Obwohl in den V2G-Szenarien die Kosten für den Strombezug durch Erlöse um bis zu 75 €/Jahr überkompensiert werden, sinken die jährlichen Gesamtladekosten aufgrund weiterer Strompreisbestandteile selbst an den Netzknoten mit Abregelung nur um durchschnittlich 20 – 27 %. Durch V2G können sich die durchschnittlichen jährlichen Batterievollzyklen verdoppeln. Ist Überschussstrom vorhanden, sinken die Treibhausgasemissionen von 69 auf rund 40 g CO2/km, an einzelnen Netzknoten auf bis zu 7 g CO2/km

Anforderungen an eine Software für den Betrieb von Ladeinfrastruktur aus Sicht eines Stadtwerkes

Ladeinfrastrukturen für Elektrofahrzeuge stellen eine wesentliche Grundlage für Elektromobilität dar. Aktuell gibt es jedoch kaum Softwarelösungen am Markt, die die notwendigen Anforderungen für den Betrieb der Ladeinfrastruktur abdecken. Diese Arbeit liefert für Entwickler aus den Bereichen der Mobilitäts-, Fahrzeug- und Infrastrukturkonzeption den erforderlichen Funktionsumfang. Hierbei wird die Perspektive von Stadtwerken als lokale Infrastruktur- und Versorgungsdienstleister gewählt

Erstellung und Auswertung repräsentativer Mobilitäts- und Ladeprofile für Elektrofahrzeuge in Deutschland

In Kombination mit einem weiterhin steigenden Anteil regenerativ erzeugten Stroms am Strom-Mix in Deutschland kann der vermehrte Einsatz von Elektrofahrzeugen in Zukunft einen signifikanten Beitrag zur Dekarbonisierung des Verkehrssektors leisten. Mit gesteuerten Ladevorgängen der Elektrofahrzeuge können durch die Nutzung von Lastverschiebepotentialen zum einen Spitzenlasten verringert und damit das Stromnetz entlastet werden, zum anderen kann durch die flexiblen Ladevorgänge auf das schwankende Stromangebot durch regenerative Energiequellen schnell reagiert werden. In dieser Arbeit wurde ein Algorithmus zur Erstellung von Fahrzeugprofilen auf Basis der Daten des Deutschen Mobilitätspanels entwickelt. Diese Profile enthalten repräsentative Informationen zum Mobilitätsverhalten in Deutschland, zudem kann durch die Eingabe aktueller Elektrofahrzeuge und Angaben zur Ladeinfrastruktur das Ladeverhalten der Fahrzeuge simuliert werden. Der detailliert erklärte Algorithmus kann auch für zukünftige Forschungszwecke individuell angepasste Fahrzeugprofile liefern. Darüber hinaus wurden in dieser Arbeit Fahrzeugprofile für verschiedene Haushaltstypen und Ladeszenarien ausgewertet und dabei unter anderem Standardlastprofile erstellt und das Lastverschiebepotential näher untersucht. Die erzeugten Elektrofahrzeug-Standardlastprofile für verschiedene Haushaltstypen aus Anhang E sind online verfügbar und können somit beispielsweise für zukünftige Modelle als Eingangsdaten verwendet werden

Elektromobilität und erneuerbare Energien: lokal optimierter Einsatz von netzgekoppelten Fahrzeugen

Für eine signifikante Reduktion klimaschädlicher CO2 ‐Emissionen, die mit der Einführung von Elektrofahrzeugen erzielt werden soll, ist eine auf erneuerbaren Energien basierende Elektrizitätserzeugung notwendig. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Optionen zur Kopplung der Ladezeiten von Elektrofahrzeugen an die dezentrale erneuerbare Stromerzeugung aufgezeigt. Es werden Verfahren und Konzepte entwickelt und anhand von anwendungsorientierten Beispielen verschiedene Möglichkeiten aufgezeigt, wie eine Verknüpfung der Ladezeiten der Elektrofahrzeuge mit der Energieerzeugung aus erneuerbaren Energien aktuell und in Zukunft realisiert werden kann. Neben Untersuchungen zu den Auswirkungen verschiedener Ladestrategien im Verteilnetz und zur Kopplung der Ladezeiten an die erneuerbaren Energien sind die Realisierung eines Pilotsystems zur tarifanreizbasierten Lastverlagerung sowie optimierte Betriebsführungskonzepte von Plug‐In‐Fahrzeugen und dezentralen Erzeugern im Smart Home weitere wesentliche Elemente der Arbeit. Es wurde ein an die jeweilige lokale Situation und die Rahmenbedingungen adaptierbares, gemischtganzzahlig‐ lineares Optimierungsmodell zur lokalen Betriebsführung entwickelt. In der Arbeit wird somit konkret gezeigt, wo aktuell und künftig Mehrwerte für den Elektrofahrzeugnutzer und die Möglichkeit zur lokalen Kopplung mit den erneuerbaren Energien bestehen

Abschlussbericht zum Verbundprojekt InKola: Infrastrukturkopplung - Platzierung und Betrieb von Ladestationen aus Verkehrs- und Energienetzsicht

Im Mittelpunkt des Vorhabens InKola „Infrastrukturkopplung – Platzierung und Betrieb von Ladestationen aus Verkehrs- und Energienetzsicht“ steht die infrastrukturübergreifende Planung und der Betrieb für Verkehr- und Energiesysteme. Das Ziel ist es, zusammen der Stadt Burg ein anwendungsorientiertes Konzept zur optimalen Platzierung, Versorgung und Betrieb von Ladeinfrastruktur aus Netz- und Verkehrssicht unter Einbindung erneuerbarer Erzeugung zu entwickeln, und an ausgewählten Standorten in der Stadt Burg Ladeinfrastruktur zu installieren

High-power-charging: Integrationsstrategien für Niederspannungsnetze

High Power Charging kann einen wesentlichen Beitrag zur Bereitstellung einer leistungsfähi-gen öffentlichen Ladeinfrastruktur leisten. Gegenwärtig ist High Power Charging überwie-gend an Verkehrsachsen – angeschlossen an die Mittelspannungsebene – vorzufinden. Im Niederspannungsnetz hingegen ist der Betrieb von High Power Charging aufgrund geringer Netzkapazitäten jedoch herausfordernd. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Ausfertigung einer Strategie zur Integration von High Power Charging in das Niederspannungsnetz. Zu diesem Zweck wird ein urbanes Verteilnetz in MatPower modelliert. High Power Charging-Infrastruktur und ein Batteriespeicher werden mittels Zeitreihen und dynamischer Modelle simuliert. Durch Lastflussrechnungen werden die Potentiale und Netzauswirkungen von High Power Charging im Niederspannungsnetz identifiziert. Anschließend wird ein Batterie-speicher zur Bereitstellung von Energie an die High Power Charging Infrastruktur dimensio-niert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass High Power Charging grundsätzlich in das Nie-derspannungsnetz integriert werden kann, dabei an transformatorfernen Standorten jedoch ein Batteriespeicher installiert werden sollte. Weiterhin wird dessen Eignung zum Ausgleich von dezentraler Erzeugung geprüft. Das Ausgleichspotential für dezentrale Erzeugung vari-iert mit den Anwendungsfällen von High Power Charging und der Jahreszeit. Photovoltaik kann wiederum Deckung der HPC-Nachfrage effektiv unterstützen.High Power Charging can make a significant contribution to the provision of efficient public charging infrastructure. Currently, High Power Charging is mainly found on transport axes - connected to the medium voltage level. In the low-voltage grid, however, the operation of High Power Charging is challenging due to low grid capacities. The aim of this work is there-fore to develop a strategy for the integration of high power charging into the low voltage grid. For this purpose, an urban distribution network is modelled in MatPower. High Power Charging infrastructure and a battery storage system are simulated using time series and dynamic models. Load flow calculations are used to identify the potentials and grid effects of high power charging in the low-voltage grid. Subsequently, a battery storage system is di-mensioned to provide energy to the high power charging infrastructure. The simulation re-sults show that high power charging can in principle be integrated into the low-voltage grid, but that a battery storage system should be installed at locations remote from the trans-former. Furthermore, its suitability for balancing decentralised generation is examined. The balancing potential for decentralised generation varies with the applications of high power charging and the time of year. Photovoltaics can in turn effectively support HPC demand response

Analyse der langfristigen Auswirkungen von Elektromobilität auf das deutsche Energiesystem im europäischen Energieverbund

This work analyses the long-term impact of electric mobility on the energy system, and aims to support the decision making of actors in the European electricity system, which takes electric mobility into account. For this purpose the Europe-wide development of electric mobility and of the energy system are examined in an integrated way based on a model coupling. This allows to analyse the interdependencies of both developments in this model-based approach endogenously