Bidirektionales Lademanagement (BDL)

Die Projektstruktur

Das Forschungsprojekt gliedert sich in acht Teilprojekte (TP) deren Zusammenspiel in der folgenden Abbildung dargestellt ist.

Die FfE in BDL

Die FfE beschäftigt sich im Rahmen von BDL schwerpunktmäßig mit folgenden Themenbereichen:

• Use Cases für bidirektionale Elektrofahrzeuge
• Erlöspotenziale und Kosten von Use Cases für bidirektionale Elektrofahrzeuge
• Regulatorische Rahmenbedingungen bidirektionaler Elektrofahrzeuge
• Netzbelastungen durch bidirektionale Elektrofahrzeuge im Verteilnetz
• Energiesystemrückwirkungen durch bidirektionale Elektrofahrzeuge
• Messkonzept und Datenauswertung des Feldversuchs
• Möglichkeiten und Entwicklungsbedarfe bei Intelligente Messysteme

Use Cases

Im Rahmen des Projekts wurden in Workshops mit mehr als 40 Experten:innen zahlreiche Use Cases für bidirektionales Laden identifiziert und diskutiert. Diese Use Cases wurden dann weiter ausgestaltet und definiert sowie deren weiteren Betrachtung im Pilotbetrieb abgestimmt. Insgesamt wurden 14 Fokus Use Cases identifiziert, die im Projektverlauf weiter analysiert werden.

Literaturempfehlungen:

• Beitragsreihe Elektromobilität
• Bidirektionales Laden: Von der Last zur Lösung (Beitrag in der et-Energiewirtschaftliche Tagesfragen, Ausgabe 1/2 2020)
• Environmental Impact of Electric Vehicles – Influence of Intelligent Charging Strategies
• Was ist Netzdienlichkeit?

Für viele der definierten Use Cases wurden im Rahmen des BDL-Projekts von der FfE zudem detailliert Mehrwerte aus Akteurssicht diskutiert und ausgewertet. Diese Mehrwerte schließen Erlösmöglichkeiten, Möglichkeiten zur Verringerung von Treibhausgas-Emissionen, aber auch beispielsweise die Erhöhung des Autarkiegrads eines Haushalts (PV-Eigenverbrauchsoptimierung) mit ein. Für jeden bewerteten Use Case wurde ein prägnanter Steckbrief erstellt, der Mehrwerte des Use Cases zusammenfasst. Die folgende Abbildung zeigt einen Überblick über den Use Case PV-Eigenverbrauchsoptimierung.

Ebenfalls wurden die Mehrkosten des Gesamtsystems, welches für ein bidirektionales Laden nötig ist, in einem Steckbrief zusammengefasst, so dass sich eine Wirtschaftlichkeit der Use Cases berechnen lässt.

• Ökonomische und ökologische Mehrwerte der Use Cases (Steckbriefe)
• Mehrkosten des gesteuerten und bidirektionalen Ladens
• Paper zum Thema zeitliche Arbitrage und PV-Eigenverbrauchsoptimierung

Regulatorische Rahmenbedingungen bidirektionaler Elektrofahrzeuge

Neben der technischen Umsetzung und der Demonstration der Technologie des bidirektionalen Ladens in einem großen Pilotbetrieb sowie der wissenschaftlichen Analysen ist es ebenfalls ein Ziel des Konsortiums, regulatorische Hürden, die einer Erschließung dieser Flexibilität entgegenstehen, zu identifizieren und frühzeitig zu adressieren. Diese Themen werden laufend in aktuelle Diskussionen in Fachgremien und diversen Arbeitsgruppen durch die Projektpartner integriert. Zusätzlich hierzu verfasst das Projektkonsortium zu den unterschiedlichen Use Case Gruppen Positionspapiere. Für V2H mit Fokus auf PV-Eigenverbrauchsoptimierung und V2G mit Fokus auf Systemdienstleistungen wurden bereits entsprechende Papiere veröffentlicht.

Positionspapiere des BDL-Konsortiums:

• Positionspapier zur Vehicle-to-Intraday Anwendung
• Betrachtung der Umsetzung des Bidirektionalen Lademanagements im Kontext von Vehicle-to-Home (V2H)
• Positionspapier zur Bereitstellung von Systemdienstleistungen aus Elektrofahrzeugen mit bidirektionalem Lademanagement

Netzbelastungen durch bidirektionale Elektrofahrzeuge im Verteilnetz

Ein weiterer Schwerpunkt der FfE Forschungsarbeit liegt auf der Analyse der zukünftigen Netzbelastungen durch bidirektionale Elektrofahrzeuge in den unterschiedlichen Use Cases auf das Verteilnetz. Hierzu wurde das Stromnetz- und Energiesystem-Modell GridSim entsprechend weiterentwickelt. Im Rahmen des Projekts wurden hierzu zunächst 1200 Niederspannungsnetze für das Modell aufbereitet, Szenarien mit dem Fokus auf den zukünftigen Hochlauf der Elektromobilität erarbeitet und in GridSim ein Optimierungsmodell auf Hausanschlussebene integriert, um die unterschiedlichen Use Cases abbilden zu können. Insgesamt zeigen sich je nach Use Case und angenommener Teilnahme aller Fahrzeuge an diesen Use Cases unterschiedliche Auswirkungen auf die Netzbelastung. Bidirektionales Laden kann einerseits bei Eigenverbrauchserhöhung die Netzbelastung leicht senken, aber bei rein tariflicher Optimierung anhand variabler Preise ohne Beachtung der lokalen Netzsituation diese auch deutlich erhöhen. In der folgenden Abbildung wurde der Anteil der Hausanschlüsse mit variablen Preisen und somit die Anzahl der preislich optimierten Ladevorgänge zwischen 0 und 100 % variiert und die auftretenden Netzüberlastungen (Netze Stand 2020) bei starker Elektrifizierung des Wärme- und Mobilitätssektors für das Jahr 2040 analysiert. Bis zu einem Anteil von 15 % preislich optimierter Fahrzeuge sinken die Netzbelastungen durch unterschiedliche Ladestrategien und geringeren resultierenden Gleichzeitigen leicht ab. Ab 20 % preisoptimierter Ladestrategien steigt die Anzahl der betroffenen Netze kontinuierlich an. Hauptursache für Netzüberlastungen sind überlastete Transformatoren oder Spannungen unterhalb des erlaubten Grenzwertes.

Die folgende Abbildung zeigt, dass ohne bidirektionales Laden bis zum Jahr 2040 durch die Elektrifizierung in 43 % der Netze Ausbaubedarf besteht. Durch V2H (Eigenverbrauchserhöhung) wird dieser Anteil nur geringfügig reduziert. Im Gegensatz dazu steigt durch die Vergleichmäßigung der Lade- und Entladevorgänge bei Vermarktung der Flexibilität an der Strombörse der Anteil der betroffenen Netze auf 71 %. Bei V2G sind die Dauern und maximalen Leistungen jedoch deutlich höher als bei V2H+. Eine Use Case Durchmischung hingegen, reduziert die Netzbelastungen. Die beiden netzdienlichen Szenarien führen zu Netzüberlastungen in 37 % (vNE) bzw. 32 % (§14a) der Netze.

Zusätzlich zu den nutzerorientierten Use Cases erfolgen auch Untersuchungen zu netzorientierten Use Cases, wie beispielsweise dem Modell der Spitzenglättung oder variable Netzentgelte.

Literaturempfehlung:

• Was ist Netzdienlichkeit?
• Anforderungen an aktuelle Verteilnetze und deren zukünftige Versorgungsaufgabe
• ETG-Kongress 2021: Sechs Beiträge der FfE zur Thematik von Komponenten bis zum Gesamtsystem für die Energiewende
• Netzbelastungen durch optimal am Spotmarkt vermarktete bidirektionale Elektrofahrzeuge

Energiesystemrückwirkungen durch bidirektionale Elektrofahrzeuge

Aus systemischer Sicht erhöht eine Integration bidirektionaler Elektrofahrzeuge in die Strommärkte grundsätzlich die Liquidität am Strommarkt, die zu volkswirtschaftlichen Mehrwerten führt. Im Rahmen des BDL-Projekts wurden energiesystemoptimale Durchdringungsraten von bidirektionalen Elektrofahrzeugen im europäischen Energiesystem bestimmt und deren Auswirkungen auf andere Elemente analysiert. Mit den hinterlegten zusätzlichen Investitionskosten für bidirektionale Elektrofahrzeuge werden aus Systemsicht bis 2050 ca. 30 % der Elektrofahrzeuge mit einem bidirektionalen Lademanagement aufgerüstet (siehe Abbildung). Dies wirkt sich auch auf andere Elemente im europäischen Energiesystem aus:

• PV-Energie kann deutlich besser integriert werden, da bidirektionale Elektrofahrzeuge als Tagesspeicher agieren und so den Marktwert der PV-Energie steigern. Freiflächen-PV-Anlagen sind aus Sicht der Stromgestehungskosten die günstigste volatile, erneuerbare Technologie und haben zudem weniger Akzeptanzprobleme als die Windenergie.
• Im BDL-Szenario werden deutlich weniger Kapazitäten von Gas- und Wasserstoffkraftwerken als im Ref-Szenario benötigt, um die Spitzenlasten zu decken.
• Durch die Aufrüstung der Elektrofahrzeuge mit einem bidirektionalen Lademanagement wird eine sehr große Speicherkapazität erschlossen. Der modellendogene Zubau von Großbatteriespeichern findet nicht mehr statt.

Bidirektionale Elektrofahrzeuge haben potenziell folglich vielfache positive Auswirkungen, die durch deren Integration in den Strommarkt erschlossen werden können. Daraus resultieren im BDL-Szenario europäische Energiesystemkosten, die deutlich unter den Energiesystemkosten im Ref-Szenario liegen.

Literaturempfehlung:

• Energiesystemmodell ISAaR
• Veröffentlichung „Modeling and Evaluating Bidirectionally Chargeable Electric Vehicles in the Future European Energy System” auf Anfrage

Messkonzept und Datenauswertung des Feldversuchs

Zu Beginn des Projekts wurden die Anforderungen, welche zur Umsetzung eines bidirektionales Lademanagements nötig sind, definiert. In verschiedenen Workshops wurde anschließend eine Systemarchitektur sowie ein zugehöriges Messkonzepte entwickelt. Für das Messkonzept ist es wichtig, zwischen Privat- und Flottenkunden sowie Pilot- und Zielbild zu unterscheiden. Das Messkonzept hat das Ziel, alle zuvor definierten Anforderungen zu erfüllen. Im Pilotbetrieb müssen mindestens die Pilotanwendungsfälle operativ umgesetzt werden und alle steuerungs-, abrechnungs- und rechercherelevanten Daten erfasst werden. Im Gegensatz dazu sollen im Zielsystem alle Anwendungsfälle möglich sein und nur die für die Steuerung und Abrechnung relevanten Daten aufgezeichnet werden. Im Pilotbetrieb werden bei den Pilotkunden z. B. die Leistung am Netzanschlusspunkt, an der PV-Anlage (falls vorhanden) und an der Wallbox gemessen, die Haushaltslast wird indirekt bestimmt. Weiter werden beispielsweise Fahrzeugdaten wie der gewünschte Ziel-SoC, der reale SoC und die Abfahrtszeit gemessen. Die Messdaten werden zentral im FfE Projektdatenserver gespeichert und ausgewertet.

Für die Auswertung der Messdaten hat die FfE die Website https://bdl-auswertungen.de/ programmiert. Hier sind ausgewählte Auswertungen aus dem Pilotbetrieb für die Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt. Des Weiteren sind auf der Website die Kurzusammenfassungen des Pilotbetriebs und der erprobten Use Cases zu finden. Die folgende Abbildung zeigt einen Ausschnitt der Website. Zu sehen ist in der unteren Abbildung die durchschnittliche tägliche ge- und entladene Energie aller Pilotkunden je Tag. In der oberen Abbildung ist die Energie je Wochentag in einem Boxplot dargestellt. Auf der Website sind die Diagramme interaktiv, d.h. es werden zusätzliche Informationen angezeigt, wenn mit dem Mauszeiger über die Grafik gegangen wird. Des Weiteren ist ein Zusatz-Informationsfeld und eine Downloadoption implementiert, wodurch die abgebildeten Daten heruntergeladen werden können.

Literaturempfehlung:

• Veröffentlichung: „Bidirektional Charging Management – Developing a measurement concept for pilot operation in Germany“
• Veröffentlichung: „Use Cases Intraday- Arbitrage und Spitzenlastkappung: Einblicke in den BDL-Feldversuch beim 6th E-Mobility Integration Symposium„

Möglichkeiten und Entwicklungsbedarfe bei intelligenten Messystemen

Der Rollout intelligenter Messsysteme (iMSys) ist Voraussetzung für die effiziente Integration flexibler Lasten und Erzeuger ins Energiesystem. Im BDL-Projekt wurde dafür insbesondere der Anwendungsfall „Lokale Netzdienstleistung“ entwickelt und mit dem iMSys umgesetzt. Damit erhält der Netzbetreiber die Möglichkeit, für einen begrenzten Zeitraum Leistungsgrenzwerte an Netzanschlusspunkte oder auch einzelne Messpunkte zu übergeben. Dies trägt zur Verhinderung von Lastspitzen und damit von Netzüberlastungen bei. Für die Umsetzung wurde das iMSys mit dem derzeit vom BSI vorgesehenen Funktionsumfang weiterentwickelt. Anstelle der aufwändigeren Etablierung eines CLS-Kanals erfolgt die Kommunikation im BDL-Projekt direkt über das Smart Meter Gateway, welches so zudem eine integrierte Nachweisführung erbringen kann. Der Anwendungsfall wurde von der FfE mit einem Aufbau demonstriert. Das SMGW wurde dafür in die tatsächlichen GWA Systeme eingebunden. Die Visualisierung der Leistungsvorgabe sowie des resultierenden Lastgangs erfolgt über eine App.

Neben dem praktisch umgesetzten Use Case für lokale Netzdienstleistungen wurden weitere Anwendungsfälle hinsichtlich deren Umsetzbarkeit mit dem iMSys untersucht. Zu nennen sind hier beispielsweise

• die Eigenverbrauchsoptimierung, bei welcher das SMGW hochfrequente Messwerte lokal bereitstellt,
• die Netzzustandsbewertung bei welcher Echtzeitdaten an externe Marktteilnehmer versendet werden,
• die Intraday Vermarktung oder auch
• der dynamische Tarifwechsel um zwischen V2H und V2G wechseln oder z. B. das Mitarbeiterladen zu Hause umsetzen zu können.

Die Umsetzung vieler Use Cases ist mit den derzeitig verfügbaren, zertifizierten iMSys nicht möglich. Anzustreben ist daher eine zügige Umsetzung der SMGW Stufe 3, mit der zunächst die Voraussetzung für eine Markterklärung zur Steuerbarkeit geschaffen werden soll. Mit Stufe 4 und den folgenden Weiterentwicklungen muss der Funktionsumfang sukzessive und im engen Abgleich mit dem geschaffenen Mehrwert für weitere Anwendungsfälle erfolgen.

Zusätzlich wurde auch der ökologische Fußabdruck der benötigten Lade- und Kommunikationsinfrastruktur analysiert. Ergebnisse einer vergleichenden ökobilanziellen Betrachtung zeigen die Umweltwirkungen von unidirektionaler (V1G) sowie bidirektionaler Ladeinfrastruktur (V2G) auf Haushaltsebene im Vergleich zu Direktladen auf. Der Hauptanteil des Treibhauspotenzials von 145,4 (V2G) bzw. 79 kg CO₂-Äq. pro Jahr ist auf den Stromverbrauch der Betriebsphase (V2G: 77 %; V1G: 57 %) zurückzuführen und wird mit zunehmender Dekarbonisierung des Energiesystems sinken. Im Verhältnis zum ermittelten jährlichen Reduktionspotenzial in der Betriebsphase von -947 kg CO₂-Äq. wird der Fußabdruck der Ladeinfrastruktur aber deutlich überkompensiert. Komponentenhersteller sollten jedoch auf ein nachhaltiges Design der Infrastruktur durch hohe Lebensdauern und Energieeffizienz achten.

Literaturhinweise:

• Die BDL-Demoplatte der FfE bei den Energietagen 2021
• Bidirektionale Elektrofahrzeuge im Energiesystem – So geht intelligentes Lademanagement
• Performance evaluation of German smart meter infrastructure for load management through grid operators
• Vergleichende Untersuchung der Umweltwirkungen von IKT für das intelligente Laden von Elektrofahrzeugen in Deutschland
• FfE gewinnt den „Leo Award“ bei der Konferenz „Live Cycle Enginieering“ für Analysen aus dem Projekt BDL

Demonstration des Use Cases PV-Eigenverbrauchsoptimierung

Das folgende Video zeigt den Use Case PV-Eigenverbrauchsoptimierung in der Praxis.

Das FfE-Verbundprojekt

Eine besondere Komponente bringt die FfE durch das „FfE-Verbundprojekt“ ein. In diesem sind eine Vielzahl von Stakeholder aus der Energiewirtschaft und Industrie in das Forschungsprojekt eingebunden. Dies ermöglicht einen Erfahrungsaustausch, die Beschleunigung der Standardisierungsarbeiten und das Herausarbeiten von Lösungen die in der Breite akzeptiert sind.

Ausgewählte Pressemeldungen des Konsortiums:

• Start für das Forschungsprojekt „Bidirektionales Lademanagement – BDL“
• Bayernwerk testet E-Autos als Stromspeicher
• Intelligentes Messsystem für das bidirektionale Lademanagement
• Bidirektionales Lademanagement – BDL – Pilotprojekt startet die wichtigste Phase: Kunden testen erste Elektrofahrzeuge, die ihren Strom zurückspeisen können
• TransnetBW macht Elektrofahrzeuge zum Ladebooster

Über das Förderprojekt Bidirektionales Lademanagment – BDL:

Das Innovationsprojekt „Bidirektionales Lademanagement –BDL“ verfolgt die Zielsetzung ein ganzheitliches, nutzerorientiertes Angebot für die Integration von Elektrofahrzeugen in das Energiesystem in Deutschland zu entwickeln und zu erproben.

Rückspeisefähige Elektrofahrzeuge werden netzdienlich mit erneuerbaren Energien aus dem Stromnetz geladen und bieten gleichzeitig stabilisierende Netzdienstleistungen an.

Dafür ist neben entsprechenden nutzerfreundlichen technologischen Lösungen ein intelligentes Zusammenspiel von Fahrzeugen, Ladeinfrastruktur und Stromnetzen notwendig. Die interdisziplinären Projektpartner aus der Automobilbranche, der Energiewirtschaft und der Wissenschaft erarbeiten hierfür holistische Lösungen.

Neben dem Konsortialführer BMW Group sind die Partner KOSTAL Industrie Elektrik GmbH, TenneT TSO GmbH, Bayernwerk Netz GmbH, Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. (FfE), Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft mbH, Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und die Universität Passau beteiligt.

Das Innovationsprojekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert. Träger des auf drei Jahre angelegten Pilotprojekts ist das Deutsche Zentrum für Luft-und Raumfahrt (DLR).

Literatur:

• Schlussbericht der Konsortialpartner über das Förderprojekt BDL