Stromversorgung von Elektroautos am Beispiel der Park & Ride Anlage Erdberg in Wien

In addition, the thesis describes the general opportunities and limitations of the combination of e-mobility and photovoltaic systems in the parking garage. In the case study application, the charging load profiles of the car park user are calculated and matched to the solar load profile of the PV system.

Einleitung

Problemstellung

Park & ​​​​Ride-Anlagen eignen sich aufgrund ihrer großen geschlossenen Parkflächen und oft vorhandenen Dachflächen sehr gut für die Installation von Photovoltaikanlagen und die Stromversorgung. Es stellt sich die Frage, ob die Einrichtung eines Park and Ride & Charge-Systems möglich ist.

Forschungsziel und Auswahl der Fallstudie

Für öffentliche Ladepunkte eignen sich besonders Orte, an denen längere Aufenthalte geplant sind, wie Krankenhäuser und Büros, oder an denen es beispielsweise zu „Systemausfällen“ kommt. Darüber hinaus wird eine Parameteranalyse zur Kombinationsmöglichkeit von Photovoltaikanlagen durchgeführt. und Elektrofahrzeuge auf öffentlichen Parkplätzen.

Aufbau der Arbeit

Rahmenbedingungen

Treiber für Veränderungen

• Ressourcenverfügbarkeit
• Emissionsreduktion durch Elektromobilität
• Politische Zielsetzungen und Maßnahmen

Der Verkehr hatte einen Anteil von 26 % und ist damit nach der Industrie der zweitgrößte Verursacher von Treibhausgasen in Österreich (Umweltbundesamt 2013). Bei beiden Fahrzeugtypen spielt das Fahrprofil eine wichtige Rolle, da der Energieverbrauch von der Fahrsituation abhängt (Wellbrock et al. 2011).

Typisierung von Elektrofahrzeugen

Der Plug-in-Hybrid könnte jedoch für eine spätere Analyse in Betracht gezogen werden, da die Aufladung über das Stromnetz erfolgen kann. Der Plug-in-Hybrid wird in Zukunft eine Rolle spielen, wird für diese Arbeit jedoch nicht berücksichtigt.

Prognostizierte Entwicklungen der Elektromobilität

Der zweite Grund liegt im technischen Aspekt der Plug-in-Hybrid-Technologie: Bisher sind nur sehr wenige Plug-in-Hybrid-Autos auf dem deutschsprachigen Markt verfügbar und die Leistungsdaten sind teilweise nicht bekannt. Denken Sie an den batterieelektrischen Antrieb, den Betrieb mit einer Brennstoffzelle und Fahrzeuge mit Range Extender.

Grundlagen der Batterie- und Ladetechnologie

Batterietechnologie der Elektromobilität

• Grundlagen
• Batterieanforderungen von Elektromobilen
• Batteriesysteme im Vergleich
• Lithium-Ionen-Batterie in Elektromobilen

Aufgrund der hohen Energiedichte auf kleinstem Raum birgt die Lithium-Ionen-Batterie jedoch im Vergleich zu anderen Batterien ein höheres Sicherheitsrisiko. Die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien begann in Asien in den 1990er Jahren.

Ladetechnologie

• Konduktives und Induktives Laden
• Lademodus
• Ladeprozess (un/gesteuert)

Die Ursache des Problems liegt in der chemischen Zusammensetzung der Elektrode/Separator/Elektrolyt und kann durch Zugabe flammhemmender Substanzen zum Elektrolyten verbessert werden (Hill et al. 2011). Unter konduktivem Laden (per Kabel) versteht man das Laden eines Energiespeichers über eine Ladestation, an die das Elektroauto über ein Stromkabel angeschlossen ist (Kleine-Möllhof et al. 2012). Nachteile sind hingegen der mangelnde Ladekomfort bei schlechtem Wetter, der relativ hohe Aufwand bei kurzen Standzeiten und das verminderte Sicherheitsgefühl bei Regen (Papendick et al. 2011).

Dies schützt es vor Vandalismus und Witterungseinflüssen und bietet generell den Vorteil eines geringen Verschleißes, da keine Kontaktbeanspruchung und keine Gefahr von Kabelbrüchen und dergleichen entsteht (Schraven et al. 2010). Eine Studie zum Nutzerverhalten beim Laden von Elektrofahrzeugen zeigt, dass induktives Laden zwar nicht als besorgniserregend empfunden wird, die Hälfte der Befragten aber dennoch bereit wäre, mehr für ein induktives System zu zahlen (Papendick et al. 2011). Aus diesem Grund wird der Einsatz des Induktionssystems derzeit nur für Taxis und Busse vorgeschlagen (Schraven et al. 2010).

Für Ladestationen ist das „Schnellladen“ (einige Minuten) des Modus IV besser geeignet, da mit einer extrem hohen Spannung (>400V) gearbeitet wird und die Batterielebensdauer belastet wird. Die „Vehicle2Grid“-Studie weist darauf hin, dass neben den technischen, rechtlichen und wirtschaftlichen Kriterien auch das Vertrauen des Kunden in die Technologie gewonnen werden muss und monetäre Anreize nicht ausreichen werden (Klamer et al. 2011). Die Ergebnisse der TU Wien und die Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (Kaschub et al. 2010) zeigen, dass die Elektromobilität einen erheblichen Einfluss auf das Energiesystem haben wird und dass eine Integration zur Lastglättung vorteilhaft, vielleicht sogar notwendig ist.

Datenerhebung und Parameterbestimmung

• Modellannahmen Ladung
• Ladekapazität und –dauer
• Ladeleistung
• Modellannahmen Photovoltaik und Standortanalyse
• Parkanlage Erdberg
• Photovoltaik-Parameter
• Spezifische Kosten der Photovoltaikanlage
• Modellannahmen Strompreis
• Strompreiszusammensetzung
• Endkundenpreisentwicklung
• Marktpreisentwicklung
• Zusammenfassung

Unter dem Strich dauert eine Vollladung mit 11 kW länger als erwartet und eine Batterie benötigt im Allgemeinen für 20 % sehr lange. Für unkontrolliertes Laden mit möglichst viel Sonnenenergie wäre es von Nachteil, wenn das Laden mit 11 kW überwiegend in den Morgenstunden erfolgen würde. Legt man diese Werte als Grundlage für Ladestufen zugrunde, ergibt sich die in Abb.

Für die Modellierung nutzt der Absolvent Strahlungsdaten, die von der BOKU bereitgestellt und vom europäischen Partnerprojekt PVGIS (Europäische Kommission 2013) erhoben wurden. Um die Rentabilität zu analysieren, ist es unerlässlich, die Struktur der Strompreise zu berücksichtigen und Annahmen über die Energiepreisentwicklung zu treffen. Wenn die Kosten fest sind oder der Parameter sowohl für den Netzbezug als auch für die PV-Erzeugung gilt, wird er für zukünftige Analysen nicht berücksichtigt.

Für das Laden von Elektrofahrzeugen wird es jedoch unumgänglich sein, Strom aus dem Netz zu beziehen und diese Fixkosten zu tragen. Die Nutzungssteuer ist die Steuer, die einige Gemeinden für die Nutzung öffentlicher Grundstücke erheben. An der Leipziger Strombörse EEX20 wird der Stromeinkaufspreis der Energieunternehmen und damit die Importerlöse für die PV-Anlage ohne Förderung gebildet.

Methoden und Modellbildung

• Modellierung Lastprofil BEV
• Modellierung der Stehzeiten
• State of Charge (SOC) bei der Ankunft im Parkhaus
• Erstellung eines Gesamtlastprofils
• Lastverhältnis Photovoltaik–BEV
• Modellierung und Interpretation
• Kennwerte
• Abgeleitete Annahmen für die ökonomische Betrachtung
• Wirtschaftlichkeitsanalyse
• Rechenmethodik
• Sensitivitätsanalyse
• Festlegung allgemeiner Parameter
• Szenarien
• Szenario „Trend“
• Szenario „Best Case“
• Szenario „Konservativ“
• Szenario „Penetration“
• Szenario „Gesteuert“

Für das Parkhaus wurde lediglich eine Wochentagserhebung durchgeführt, aus der die Parkzeiten für alle Wochentage während dieser Aktivitäten abgeleitet werden. In dem mit dem Programm „R“ erstellten Modell wird anhand einer Pseudozufallsverteilung für jeden Tag ein neues Parkmuster gebildet. Der Batteriestatus des Autos bei der Ankunft in der Werkstatt ist für den weiteren Modellbau von großer Bedeutung.

In der Praxis ist ein schrittweiser Ausbau der Photovoltaikanlage auf dem Dach des Parkhauses sinnvoll. Im Bilanzverhältnis 1 entspricht der Anteil des innerhalb eines Jahres in der PV-Anlage erzeugten Stroms der von den Elektrofahrzeugen benötigten Strommenge. Darüber hinaus ist in der Praxis davon auszugehen, dass bei Kleinanlagen kaum unternehmerisches Investitionsinteresse besteht.

Diese zusätzliche Einnahmequelle wird bei der Berechnung der Stromgestehungskosten für das Laden von BEVs berücksichtigt. Analog zum Trendszenario ist auch hier aufgrund der hervorragenden Rahmenbedingungen des Parkplatzes mit einem größeren Anteil an BEVs im Parkhaus zu rechnen. Eine vollständige Kontrolle wäre in der Realität nicht möglich, dieses Szenario vermittelt jedoch einen guten Eindruck über den potenziellen Mehrwert.

Ergebnisse

• Szenario Trend
• Wirtschaftlichkeit
• Sensitivitätsanalyse
• Kennwertanalyse
• Szenario Best Case
• Wirtschaftlichkeit
• Sensitivitätsanalyse
• Kennwertanalyse
• Szenario Konservativ
• Wirtschaftlichkeit
• Sensitivitätsanalyse
• Kennwertanalyse
• Szenario Penetration
• Szenario Gesteuertes Laden

Somit kann argumentiert werden, dass der Bau einer 30-kWp-Anlage im Jahr 2018 möglicherweise zu geringeren Stromgestehungskosten für das BEV-Laden führt als die Stromkosten, die durch den Bezug von Strom aus dem öffentlichen Netz entstehen. Im besten Fall geht man von einer sehr günstigen Entwicklung der Elektromobilität aus und erwartet, dass die PV-Anlage früher als im Trendszenario Netzparität erreicht. Während das 100-kWp-System im Trendszenario noch weit von der Netzparität entfernt ist, beträgt der Stromgestehungskosten bestenfalls nur 0,1198 €/kWh und liegt damit knapp über den Kosten für den Bezug von Strom aus dem Netz.

Aufgrund der höheren Ladeleistung der 100-kWp-Anlage würden bereits die geringeren Stromgestehungskosten von nur 0,0073 €/kWh einen höheren Kapitalwert erzielen als die 30-kWp-Anlage. 34 zeigt, dass ähnlich wie im Trendszenario die Kosten der 30-kWp-Anlage nur minimal steigen können, andernfalls wird der Kapitalwert negativ sein. Aufgrund der Anlagengröße kann ein um 6,5 % höherer Kapitalwert als mit einer 30 kWp-Anlage erzielt werden.

Im Vergleich zu einer 30 kWp-Anlage liegt der durchschnittliche Deckungsgrad einer 100 kWp-Anlage bei fast 30 % und damit 14 % höher. Interessanterweise hat die geringere BEV-Quote im konservativen Szenario nur geringe Auswirkungen und im Jahr 2019, ein Jahr später als im Trend-Szenario, wird unter den Grundannahmen Netzparität erreicht. Trotz einer deutlich reduzierten Anzahl an BEVs ist das System bereits ein Jahr später als im Trend-Szenario profitabel.

Diskussion der Ergebnisse und Methodenkritik

Diskussion der Ergebnisse

Kritische Methodenreflexion und Schlussfolgerung für Forschung und Praxis

Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

Neben der Entwicklung der Elektromobilität ist die Rentabilität des Zusammenschlusses stark von den Faktoren PV-Investitionskosten, wettbewerbsfähigen Strompreisen und dem Diskontsatz abhängig. Andererseits würde ein überdurchschnittlicher Rückgang der PV-Investitionspreise das Ergebnis in den nächsten Jahren verändern und die Investition in den Bereich der wirtschaftlichen Nachhaltigkeit verschieben. Darüber hinaus werden in der Arbeit allgemeine Kenntnisse zum möglichen Lastverhalten von BEVs in einem Parkhaus erworben.

Die Kennwertanalyse des kombinierten Lastverhältnisses von PV und BEV gibt einen Einblick in die Chancen, Herausforderungen und Grenzen der Kombination. Daraus lässt sich schließen, dass zusätzliche Netzleistung insbesondere in Zukunft für das Laden von Elektroautos unverzichtbar sein wird. Aus den Ergebnissen der Wirtschaftlichkeits- und Kennwertanalyse kann geschlossen werden, dass der Ladevorgang so gesteuert werden sollte, dass eine frühere Wirtschaftlichkeit erreicht wird, die Wirtschaftlichkeit großer Anlagen erhöht wird und die Kennwerte optimiert werden.

Damit stellt sich die Frage, wie zukünftig Nutzer in den kontrollierten Ladeprozess eingebunden werden können, um die Effizienz des Verbundes zu steigern. Es zeichnet sich jedoch ab, dass die Photovoltaikanlage für den Antrieb von Elektroautos in Parkhäusern in Zukunft konkurrenzfähig sein wird. Dadurch entsteht die Chance, die Elektromobilitätsinfrastruktur zu verbessern und gleichzeitig erneuerbare Energien zu fördern.

Literaturverzeichnis

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Marktchancen für Elektromobilität – Szenarien für 2020 und darüber hinaus, verfügbar unter: goo.gl/RVsUqz (letzter Zugriff. Modellregionen Elektromobilität: Umweltbegleitende Forschung zur Elektromobilität, Wuppertal: Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie, verfügbar unter: goo.gl /8trSPN (letzter Zugriff Packing solarefficient in a tank, Pressemitteilung, Freiburg: Fraunhofer ISE, verfügbar unter: goo.gl/3cRJ8E (letzter Zugriff: 2. April 2013).

Induktives Laden von Elektrofahrzeugen – eine technoökonomische Bewertung, Karlsruhe: Fraunhofer ISE, verfügbar unter: goo.gl/WgPl2t (letzter Zugriff. Abschlussbericht, Bern: Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK, verfügbar unter: goo .gl /Rgm8Mq (Zugriff: 01.08.2013) Aktuelle Fakten zu Photovoltaikzellen in Deutschland, Freiburg: Fraunhofer ISE, verfügbar unter: goo.gl/7QVX7q (Zugriff: 05.08.2013).

Appendix

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