Zielsetzung

Der Verkehrssektor bietet durch den Einsatz von elektrisch bzw. hybridelektrisch angetriebenen Fahrzeugen eine kurz- bis mittelfristige Möglichkeit zur Verringerung des Verbrauchs an fossilen Energieträgern. Zudem kann unter Nutzung moderner Informations- und Kommunikationstechnik in Verbindung mit „intelligenten“ Batteriemanagementsystemen ein virtuelles Lastmanagementsystem aufgebaut werden. Dieses System ermöglicht die bessere Nutzung der vorhandenen Kraftwerks- und Netzressourcen.

Im Rahmen der Forschungsinitiative Kraftwerke des 21. Jahrhunderts (KW21) wird an der FfE das Teilprojekts KW21 BY 2E – „Einsatzmöglichkeiten von Elektrostraßenfahrzeugen zum Lastmanagement“ – durchgeführt. Es sollen die Potenziale eines intelligenten Batteriemanagementsystems im Hinblick auf Energieeffizienz detailliert analysiert werden. Hierzu bedarf es einer methodisch aufwändigen Simulation auf Basis aktueller und detaillierter Daten aus statistischen und messtechnischen Analysen.

Unter der Annahme, dass sich Elektrostraßenfahrzeuge mittel- bis langfristig im Markt durchsetzen und die regenerative Stromerzeugung an Bedeutung gewinnt, werden sich in Deutschland/Europa die Netzverhältnisse grundsätzlich verändern.

Ziel dieses Projektes ist die Erarbeitung von Konzepten, wie das Laden von Elektrostraßenfahrzeugen in der Zukunft erfolgen soll und dabei möglicherweise Netzfunktionen/Netzdienstleistungen übernommen werden können.

Es werden unter anderem die technischen und wirtschaftlichen Potenziale von Vehicle to Grid (V2G)-Modellen untersucht. Daraus sollen Empfehlungen entstehen, wie Elektrostraßenfahrzeuge (ESF) bei einer großflächigen Markteinführung geladen werden können, um nicht nur das Stromnetz möglichst wenig zu belasten, sondern auch aktiv am Regelleistungsmarkt teilzunehmen.

Grundgedanke
Das Laden einer kleinen Flotte von Elektrostraßenfahrzeugen stellt für die derzeitige Stromversorgungsstruktur in Deutschland kein großes Problem dar, da die Erzeugungskapazitäten für die relativ geringe Energiemenge ausreichend sind. Wie eine frühere Studie der FfE gezeigt hat könnten Versorgungsengpässe ab einer Anzahl von mehreren Millionen Elektro-Pkw entstehen. Das entscheidende Kriterium ist dabei nicht die Energiemenge (hierfür wurde die Erzeugungskapazität weiterhin ausreichen), sondern die Spitze der Ladeleistung.

In Abbildung 1 1 wird das Ladeleistungsprofil für eine ESF-Flotte von 8 Mio. Fahrzeugen und einen jährlichen Energiebedarf von 25,5 TWh (optimistisches Szenario) sowie für eine Flotte von 840.000 ESF mit einem Energiebedarf von 3,3 TWh pro Jahr (pessimistisches Szenario) dargestellt. Im optimistischen Szenario ergeben sich Leistungsspitzen von knapp 7 GW, die mit den Zeiten hohen Energiebedarfs im Netz bzw. hohen Energiepreisen zusammenfallen.

Abbildung 1 1: Ladelastgang für zwei verschiedene ESF-Flotten

Methodik

Das Projekt lässt sich in vier Hauptteilprojekte gliedern: Prüfstandmessung, Simulation, Integration von Energiewirtschafts- und Verkehrsdaten Daten und Auswertung (vgl. Abbildung 2 1)

Abbildung 2 1: Hauptteilprojekte und Methodik zur Modellentwicklung

Im Folgenden werden die Arbeitsschritte der obigen Grafik näher beschrieben.

1. Im ersten Schritt wird ein innovatives Batteriesystem messtechnisch am Batterieprüfstand untersucht und ein Referenzlastfall definiert, welcher dem ungesteuerten Laden entspricht.
2. Parallel zu den Referenzmessungen wird eine Simulation in Matlab/Simulink erstellt, welche die verschiedenen Batteriesysteme inkl. Peripherie nachbilden soll. Die Simulation wird mit Ergebnissen aus den Prüfstandmessungen für den Referenzfall verifiziert.
3. Mit Hilfe der Simulation wird ein intelligentes Batteriemanagementsystem (i-BMS) entwickelt, welches die verschiedenen Geschäftsmodelle abbilden soll. Hierbei werden verschiedene Ladeleistungen berücksichtigt.
4. Datenbasis für das i-BMS sind vorliegende Netz-Lastgänge und öffentliche Netzdaten (z. B.: Mittwochsbilanzen, Regelleistungsabrufe, EEX-Preise).
5. Das i-BMS wird im nächsten Schritt unter „realen“ Testbedingungen auf die Tauglichkeit zum Lastmanagement überprüft. Hierzu werden weitere Messungen am Prüfstand mit allen Prüflingen durchgeführt. Mögliche Veränderungen der Batteriequalität während der Messzeit werden untersucht.
6. Bei der Auswertung hinsichtlich der Einsatzmöglichkeit von Elektrostraßen-fahrzeugen zum Lastmanagement werden folgende Punkte untersucht: Rückwirkungen auf das Netz, verschiedene Geschäftsmodelle, Anforderungen an die IT und Sensitivitätsanalyse mit Hilfe von Zukunftsszenarien.
7. Die Daten für die Szenarien stammen aus dem KW21 BY 3E Teilprojekt „Simulationsgestützte Prognose des zukünftigen elektrischen Lastverhaltens im 21. Jahrhundert“ sowie aus dem Projekt „Zukunftsmodell Energie 2050“.

Nachfolgend werden die wesentlichen Untersuchungsschwerpunkte des Projekts beschrieben.

Batteriemessungen
Die Batteriemessungen dienen der Simulationsmodellentwicklung und Validierung. Die Messungen werden am eigenen Prüfstand durchgeführt.

Das i-BMS soll ebenfalls am Prüfstand validiert werden.

Simulation
Die Batteriesimulation dient als Plattform zur Entwicklung des i-BMS. Hier werden verschiedene V2G-Konzepte implementiert und analysiert.

i-BMS
Das i-BMS regelt das Laden der Batterien. Dabei geht es nicht um die klassischen Funktionen eines Batteriemanagementsystems wie z. B. Temperatur- und Spannungsüberwachung, sondern ausschließlich um die Ladeleistungsregelung. Abhängig von Uhrzeit- oder prognosegesteuerten Signalen des Netzbetreibers wird der Leistungsfluss zwischen Netz und Batterie gesteuert. Dieser kann theoretisch in beide Richtungen erfolgen.

Auswertungen
Verschiedene V2G-Modelle werden im i-BMS implementiert und simuliert. Hierbei wird das technische Potenzial und daraufaufbauend auch das wirtschaftliche Potenzial der Modelle ausgewiesen. Zusätzlich werden Primärenergie und CO2-Bilanzen erstellt sowie die Veränderung von wesentlichen Batterieparametern (SOC, SOH, etc.) in Abhängigkeit vom Batteriealter ausgewiesen. Aussagen über Kundenakzeptanz bzw. Nutzungseinschränkungen durch die Geschäftsmodelle sowie der mögliche Einfluss auf die Flexibiliät bzw. Mobilität werden am Rande betrachtet.

Bedingt durch die Erhöhung des Anteils von ESF am Gesamtbestand ergeben sich zwangsläufig Rückwirkungen auf das elektrische Netz. Unabhängig vom Ladeprofil können die Rückwirkungen positiv oder negativ sein und werden für die Fälle „ungesteuerte Ladung“ und die verschiedenen Geschäftsmodelle beschrieben.

Geplant ist die Untersuchung folgender Geschäftsmodelle: Veredelung der erneuerbaren Energieeinspeisung, Lastmanagement und Teilnahme am Regelleistungsmarkt.

Referenzen und weitere Informationen

Im Bereich virtuelle Kraftwerke hat die FfE bereits mehrere Projekte durchgeführt, u. a. KW21-E2 und Gesamtwirtschaftliche Bewertung von virtuellen Kraftwerken.

In KW21-E2 wurde eine energiewirtschaftliche Bewertung der durch Mikro-KWK disponiblen Regelleistung durchgeführt. Es wurde dabei eine KWK-Simulation erstellt, und durch verschiedene Betrachtungen Regelleistungsabrufe simuliert.

Im Projekt Gesamtwirtschaftliche Bewertung von virtuellen Kraftwerken wurde mit der Einsatzplanung für virtuelle Kraftwerke „DEMS“ ein virtuelles Kraftwerk abgebildet und auf die Tauglichkeit für den Regelleistungsmarkt überprüft.

Aus beiden Projekten ist eine breite Datenbasis an öffentlichen Daten bezüglich Regelleistung und Regelleistungsprofilen vorhanden, die in diesem Projekt genutzt werden können.

In den vergangenen 20 Jahren wurden zahlreiche Traktionsbatterien, SuperCaps und Brennstoffzellen an den FfE-Prüfständen messtechnisch untersucht. Parallel dazu wurden Elektrofahrzeuge mit Messtechnik ausgestattet und unter realen Verkehrsbedingungen getestet und vermessen. Im Rahmen einer Promotion an der FfE entstand ein spezielles Prüfverfahren für Traktionsbatterien, das mehrere Fahrzeughersteller übernommen haben.

Förderung und Projektpartner

Das Projekt wird durch die Staatsministerien für Wissenschaft Forschung und Kunst sowie für
Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie in Bayern gefördert.

Die Projektpartner sind E.ON AG und EnBW AG.

Pressemeldungen

• Die FfE startet Verbundprojekt im Rahmen von KW21: KW21 BY 2E

Veröffentlichungen

• Ladeprofile und Ladeleistungsbedarf von Elektrostraßenfahrzeugen
  

Anfrage

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