Systemladen
Das Projekt Systemladen zielt darauf ab, die in den vergangenen Jahren einzeln und für sich entwickelten Ladelösungen für die Elektromobilität und dezentralen Energiesystemlösungen in einem ganzheitlich gedachtem Ökosystem zu vereinen.
Motivation
Ladelösungen für die Elektromobilität und entsprechende Ladestationen sind derzeit für unterschiedlichste Einsatzbereiche und Use-Cases in einer Vielzahl an Varianten und Leistungsklassen am Markt verfügbar. Für einen massentauglichen, wettbewerbsfähigen und gleichzeitig nachhaltig umweltverträglichen, Großserieneinsatz bestehen jedoch noch vielfältige und anspruchsvolle Herausforderungen, die es zu lösen gilt.
Alle nötigen Systembausteine und Lösungen wurden in den vergangenen Jahren und Jahrzehnten bereits – einzeln und für sich – im praktischen Einsatz und technisch erfolgreich erprobt. Viele Teil-Aspekte haben auch schon im großen Maßstab Umsetzung gefunden. Dennoch lässt sich damit allein die Zielvision – Kostenreduziertes Laden von Elektrofahrzeugen mit 100 % erneuerbaren Energien – noch nicht realisieren. Fehlende langfristige stabile Systemarchitekturen und Rahmenbedingungen, eine generelle universelle Interoperabilität der Systembausteine und die drastische Reduktion der Komponenten- und Betriebskosten hemmen die Umsetzung. Um die enorme Komplexität im Verbundsystem zu beherrschen sowie eine resiliente Funktion und Wirtschaftlichkeit sicherzustellen, müssen die Systemlösungen und das Gesamtsystem ganzheitlich gedacht und optimiert werden. Alle Systembausteine – egal ob Hardware, Software oder Prozesse & Dienste – müssen speziell darauf zugeschnitten werden, und dies alles bereits möglichst schnell und kurzfristig.
Aufbauend auf vorangegangenen Forschungsarbeiten, in denen die notwendigen Grundlagen und erste erfolgreiche Lösungen geschaffen wurden, soll daher nun eine neue Generation von Ladelösungen vorbereitet und in praxistauglichen Pilotanwendungen erprobt werden.
Zielsetzung – Gesamtvorhaben
Leitziel des Verbundvorhabens und der dabei angestrebten neuen Lösungen ist der weitgehend lokale Ausgleich der PV-Volatilität durch intelligente variable Ladelösungen – ohne Komfortverlust und Verfügbarkeitseinschränkungen für den Fahrzeugnutzer, bei gleichzeitiger Kostenersparnis im Vergleich zu konventionellem Laden aus dem Verbundnetz.
Die alleinstehenden Komponenten der diversen Projektpartner (PV-Speichersysteme, Ladestationen, Aggregationstools, Konnektivitäts-Technologien) sind für ihre aktuelle Applikation ausgereift und etabliert, erfüllen aber bislang nicht die neuen Anforderungen und Herausforderungen aus Systemsicht. Darüber hinaus bedürfen sie auch einer weiteren, deutlichen Kostenreduktion.
Vor diesem Hintergrund ist das gemeinsame Arbeitsziel die Weiterentwicklung, Ergänzung und Zusammenführung vorhandener Lösungsbausteine und Komponenten zu einer modularen Gesamtsystemlösung für die optimale Verknüpfung von Ladeinfrastruktur und intelligenter EE-Energiesysteme.
Mit dem geplanten Vorhaben soll ein relevanter Beitrag zur Kostenreduktion und nachhaltigen Systemintegration und somit der Lösung oben genannter Herausforderungen geleistet werden.
Kerngedanke ist es dabei, durch ein ganzheitlich gedachtes Ökosystem die Ladelösungsansätze einerseits und die dezentralen Energiesystemlösungen andererseits ineinander zu integrieren.
Die neue Gesamtlösung soll zukunftsfähig, interoperabel und offen für Bausteine Dritter sein und dabei die gesamte Anwendungsbreite vom privaten PV-Home-System über Mehrfamilienhaus und Gewerbe bis zu großen Ladeparks und Fahrzeugflotten abdecken. Darüber hinaus wird eine Integration über digitale Backend-Lösungen in Netzbetrieb und Markt angestrebt. Durch massenmarkttaugliche internationale Skalierbarkeit und ganzheitliche Optimierung der Gesamtkonzepte sowie Geräte- & Softwarebausteine sollen Ladekosten gesenkt, Anwendernutzen gesteigert und der Umbau von Energie- und Verkehrssystem erleichtert werden.
Zudem werden Erkenntnisse zu geeigneten Qualifizierungsverfahren und für die zukünftige Gestaltung technischer und regulatorischer Rahmenbedingungen gewonnen.
Projektstruktur
Das Forschungsprojekt gliedert sich in 9 interdisziplinäre Arbeitspakete.
Zu Beginn des Vorhabens wird durch eine systematische Analyse von Anforderungen, Rahmenbedingungen und Use-Cases ein Grundgerüst für die folgende Komponentenentwicklung modularer Gesamtsystemlösungen und Forschungsarbeiten aufgestellt. Dabei wird insbesondere die Kombination von Lade- und Energiesystem-Infrastruktur unter Berücksichtigung internationaler Aspekte und Trends betrachtet. Während der Projektlaufzeit werden die Trendanalysen mehrfach rückgekoppelt aufgegriffen, um aktuelle Entwicklungen in den Prozess einzubinden.
Darauf aufbauend folgt die Erarbeitung kongruenter und zukunftssicherer Systemarchitekturen zur interoperablen Integration von Ladelösungen ins lokale Energiesystem sowie in Energie- und Netzsystemdienstleistungsmärkte.
Um eine kontinuierliche Energieversorgung auch im Krisen- und Fehlerfall zu gewährleisten, werden die Vorteile dezentraler erneuerbarer Energieerzeugung in Resilienz Konzepten betrachtet.
Die Grundlagenuntersuchungen werden bis kurz vor Projektende simultan weitergeführt.
Die Technologie- und Lösungsentwicklung umfasst Softwaremodule für die optimierte Elektromobilitäts-Integration in lokale Energiemanagementlösungen sowie eine Integration der Ladeinfrastruktur in VPP-Backend-Lösungen zur Sektorenkopplung.
Auch ganzheitliche Systemplanungsverfahren komplexer Anlagenstrukturen wie Mehrfamilienhäuser oder Gewerbeparks mit Mehrplatz-Laden, PV-Anlagen und Batteriespeicher werden mit einbezogen.
Als Grundlage für zukünftige Standards werden Komponenten- und Systemqualifizierungsverfahren zur Qualifizierung und Gütebewertung der Systemlösungen erstellt.
Zur Gewährleistung einer durchgehend zuverlässigen schnellen Datenübermittlung, Vermeidung von Anschlussüberlastungen und zur Simplifizierung von Installation und Inbetriebnahme wir die Konnektivität auch bei ungünstigen Gegebenheiten verbessert.
Die Optimierung der DC- und AC-Ladestationen zur vereinfachten Systemintegrierbarkeit schließt die Entwicklungsarbeit des Projekts ab.
Wissenschaftlich begleitet und um Untersuchungen zu den Schwerpunkten Netz-, Energiewirtschaft und Systemqualifizierung ergänzt wird das Vorhaben von den Forschungspartnern der Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. und Hochschule Biberach.
Die praktische Umsetzung des Verbundprojekts erfolgt in einer Erprobung und Demonstration der neuen Lösungen als Gesamtsystem für den jeweiligen Anwendungsfall im praktischen Einsatz.
Abschließend folgen die Synthese und Bewertung der gewonnenen Erkenntnisse mit der Ableitung von Empfehlungen für die Gestaltung zukünftiger Rahmenbedingungen und Regularien.
FfE-Inhalte im Projekt
Die Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V. (FfE) wird in ihrem Teilvorhaben als wissenschaftlicher Begleiter des Forschungsprojekts zunächst ein gemeinsames Verständnis der Partner in den wesentlichen Forschungsbereichen des Vorhabens etablieren und für das Projekt essenzielle Rahmenbedingungen und Grundlagen erforschen. Die Aufarbeitung und Dokumentation der national sowie international relevanten Trends und Rahmenbedingungen ist das Fundament für die Weiterentwicklungen und Optimierungen der Projektpartner.
Weiter wird sich die FfE mit der technischen und wirtschaftlichen Bewertung der im Projekt entwickelten Lösungen befassen. Dabei werden entwickelte Prosumer- und Ladeinfrastrukturlösungen in Bezug auf Wirtschaftlichkeit durch simulative Analysen ausgewiesen und einer Bewertung unterzogen. Mit dem Prosumer, als zentraler Player in einem dezentralen Energiesystem steht ihm bei diesem Vorhaben eine entscheidende Rolle zu. Er ist nicht nur Produzent dezentral erzeugter Energie, sondern agiert gleichzeitig als Konsument. Die Integration dieser Rolle in das bestehende Energiesystem mit dem Ziel eine resiliente, und kostengünstige Ladeinfrastruktur zu ermöglichen erfordert neben der Formulierung von Anforderungen an diese Rolle auch die Untersuchung seines Einflusses auf die Energie- und Netzinfrastruktur. Die FfE untersucht diesen Einfluss mithilfe ihrer Simulations- und Optimierungsmodelle „GridSim“, „eFlame“, und „ISAaR“.
Abschließend wird die FfE sich mit der Ergebnissynthese befassen. Systemeigenschaften und Performance der im Projekt entwickelten Lösungen werden dabei charakterisiert und mit Fokus auf das technische & wirtschaftlichen Zukunftspotential bewertet. Das Ableiten von Empfehlungen für die zukünftige Gestaltung lokaler, resilienter und kostengünstiger Ladelösungen in das Energiesystem runden das Teilvorhaben ab.
Methodik
Mithilfe der Simulations- und Optimierungsmodelle werden insbesondere potenzielle Rückwirkungen der Ladelösungen auf Verteilnetze und das Energiesystem berechnet und analysiert. „GridSim“ bildet dabei die resultierenden Belastungen im Verteilnetz und identifiziert Netzausbaubedarf nach. „eFlame“ simuliert verschiedene Ladelösungen zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit der Liegenschaften und „ISAaR“ ergänzt dieses um die Charakterisierung der Ladelösungen im Zusammenhang mit Energiesystemrückwirkungen und THG-Einsparpotenzialen. Auf Basis der Analysen werden die Auswirkungen sowie Möglichkeiten eines großflächigen Einsatzes der vielfältigen Ladelösungen evaluiert.
Systemlandschaft
Durch die Zusammenarbeit eines breit gefächerten Konsortiums aus Industriepartnern in den Bereichen Leistungselektronik und PV-Systemlösungen, digitaler Lösungen für die Energiewirtschaft und Netzbetreiber, Konnektivitäts-Lösungen sowie Ladestationen und Ladeparklösungen, zusammen mit wissenschaftlichen Partnern aus der Energiewirtschafts-Forschung und Energiesystemtechnik, verfügt dieses Projekt über alle erforderlichen Kompetenzen.
Die praxisorientierten Systemlösungen für die fünf Segmente PV-Home-Laden, Mehrfamilienhäuser, Gewerbe & Flotten, Ladeparks und öffentliche Ladepunkte, sowie VPP-Backend-Lösungen für Netz- und Marktintegration, werden wie folgt umgesetzt:
Der Plattformbetreiber vermarktet die Flexibilitäten, die vom Aggregator bereitgestellt werden, durch digitale Markt- und Netzintegration über das Backend und VPP sowie durch die Einbindung der Ladeinfrastruktur in VPP-Lösungen. Der Aggregator bündelt die Flexibilitäten der n-Anschlussnehmer und gibt Steuerbefehle über das SMGW an das EMS. Durch die Entwicklung neuer und effizienter Konnektivität-Lösungen im Mesh-System und deren Integration in Heimspeichersysteme, Photovoltaikanlagen, Wechselrichter, Wärmepumpen und Ladestationen wird eine robuste Funkverbindung zwischen den beteiligten Geräten des Anschlussnehmers hergestellt. Eintreffende Steuerbefehle oder ausgehende Rückmeldungen werden gleichermaßen über das EMS übertragen. Die Verarbeitung der Steuerbefehle und Rückmeldungen erfolgt über das SMGW/CLS oder DAM/OEM an den zuständigen MSB und Aggregator.
Die Umsetzung der im Projekt Gesetzen Ziele zu §14a, marktliche Netzdienstleistungen, Lastmanagement in Mehrfamilienhäusern, Gewerbe und Flotten sowie Preisoptimiertes Laden werden mit Untersuchungen zur Interoperabilität und Netz- und energiewirtschaftlichen Analysen begleitet. Aus dem Aufbau und der Interoperabilität der Akteure werden die verschiedenen Systeme dementsprechend qualifiziert.
Projektpartner
Am Vorhaben Systemladen beteiligen sich 6 Verbundpartner. Das Konsortium verbindet industrieseitig die Kompetenzen aus den Branchen Leistungselektronik & PV-Systemlösungen, Digitale Lösungen für Energiewirtschaft & Netzbetreiber, Konnektivitäts-Lösungen sowie Ladestationen & Ladeparklösungen. Durch die Wissenschaftspartner aus der Energiewirtschafts-Forschung und Energiesystemtechnik werden auch die nötigen wissenschaftlichen Kompetenzen abgedeckt
Unter der Leitung des Konsortialführers SMA Solar Technology AG setzt sich das Projekt aus den Industriepartnern convea GmbH, elexon GmbH, who Ingenieurgesellschaft mbH und den Forschungspartnern Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V. sowie der Hochschule Biberach, Lehrstuhl für elektrische Systeme zusammen.
Förderung
Das Forschungsprojekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert (Förderkennzeichen: 01MV23012E).
