Deutschland hat die Chance als erstes der Top 10 Industrieländer das Laden der E-Mobilität bis 2030 fast ausschließlich in die „Überschuss“-Zeiten der Erzeugung Erneuerbarer Energien zu legen. Damit können für Europa als auch weltweit Best Practices aufgezeigt werden.
Die konkreten Herausforderungen wurden bereits beschrieben und erste Lösungsvorschläge erarbeitet. Sollten Sie hierzu weitere Anregungen haben, freuen wir uns über einen gemeinsamen Austausch. Im nächsten Schritt geht es in die Diskussion – und dazu laden wir Sie herzlich ein! Ihre Erfahrungen und Beiträge entscheiden darüber, wie die Anforderungen an die Normung aussehen und welche Handlungsempfehlungen daraus abgeleitet werden.
COLLABORATION
Herausforderung:
Wie können Elektroautos in Deutschland bis 2030 durch den Fokus auf „Überschussladen“ besser erneuerbare Energien nutzen?
Die Erneuerbaren Energien aus Sonne und Wind sind CO2-frei, daher politisch gewollt und weiter auszubauen. Strom aus Erneuerbaren ist allerdings volatil, d. h. nicht direkt steuerbar. Es gibt somit Zeiten, in denen bereits heute zu viel Energie verfügbar ist. Dieses Überangebot wird sich mit dem aktuell geplanten Ausbau erhöhen, während in anderen Zeiten die Erneuerbaren den Strombedarf (noch) nicht allein decken können. Das Nutzungsprofil der Mobilität ist so, dass es für batterieelektrische Fahrzeuge möglich ist, das Laden in die Zeiten des „Stromüberangebotes“ zu verschieben.
Berechnungen zeigen, dass mit den geplanten Entwicklungen zum Ausbau der Erneuerbaren sowie dem Hochlauf der E-Mobilität in Deutschland 2030 die benötigte Ladeenergie zu 90 Prozent mit „Überschussenergie“ erfolgen könnte. Damit würde der Transportsektor von einem heute 100 Prozent fossilen zu einem fast CO2-freien Transport in der Nutzungsphase für die Elektrofahrzeuge.
„Überschussenergie“
Energie in einem elektrischen Netz, die von den angeschlossenen Erneuerbaren Erzeugern über dem Bedarf der angeschlossenen Verbrauchern hinausgehend produziert werden kann.
ANMERKUNG 1: Heute werden im Fall von Überschussenergie die Erzeugungsanlagen abgeregelt, in begrenztem Umfang Energie gespeichert bzw. Energie exportiert.
ANMERKUNG 2: Die Grenzen des elektrischen Netzes können bei der Definition sinnvoll festgelegt werden. Hier wird vereinfacht das gesamte Netz Deutschlands betrachtet; es kann aber auch in größeren (z. B. europäisch) und kleineren Regionen (z. B. Liegenschaft) betrachtet werden.
„Überschussladen“
Laden von Elektrofahrzeugen unter Nutzung von Überschussenergie.
Das Problem
Das heutige Systemdesign als auch die aktuellen Planungen werden ein umfassendes Überschussladen nicht im vollen Umfang ermöglichen.
Die Gründe dafür sind zum einen, dass ein möglichst ausschließliches Überschussladen noch nicht als Systemziel verankert ist. Zum anderen haben die Herausforderungen rund um den Ausbau der Erneuerbaren Energien und dem Ausrollen der E-Mobilität vorrangige Priorität.
Lösungsvorschlag:
Zeitnahe Definition des Überschussladens und Einsteuerung der damit verbundenen Anforderungen transparent für alle beteiligten Akteure parallel zu den laufenden Entwicklungen
Motivation Überschussladen
Sind die Anlagen zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien wie Wind und Sonne gebaut und die Investitionen getätigt, können sie zu Grenzkosten von nahezu Null Strom liefern. In Überschusszeiten von erneuerbar erzeugtem Strom werden heute bereits Anlagen abgeregelt bzw. ausgeschaltet. Gesamtwirtschaftlich ist es unwirtschaftlich, wenn diese vorhandene „Überschussenergie“ nicht genutzt wird.
Es stellt sich also die Frage, wie in bestimmten Zeiten mit Überschussenergie sinnvoll, wirtschaftlich und energieeffizient umgegangen werden kann. Prinzipiell sind drei unterschiedliche Strategien zur Nutzung von Überschussenergie bekannt und werden zur Lösung als notwendig erachtet:
- Direkte Nutzung auf Basis von Lastverschiebungen (Demand Response oder Demand Shifting), d. h. eine Energienutzung wird planmäßig in Zeiten von Überschussenergie vorgezogen und verzögert; sie stellt die einfachste und effizienteste Form der Nutzung von Überschussenergie dar, ist aber mit koordinierendem Aufwand verbunden.
- Speicherung: übernimmt Überschussenergie und stellt sie zu Zeit von fehlender Energie aus Erneuerbaren zur Verfügung, ist aber mit Umwandlungs- und Investitionskosten verbunden.
- Abregelung: Erzeugungsanlagen abschalten; ineffizient und unwirtschaftlich, aber für die Systemstabilität nicht immer zu vermeiden.
Bei der E-Mobilität wäre die direkte Nutzung am sinnvollsten. Erstens stehen die Fahrzeuge in der Zeit der Überschüsse ausreichend lange und können somit geladen werden. Zweitens haben sie systembedingt bereits eine große Batterie, die die Energie speichern kann. Eine vorherige Speicherung über einen stationären Speicher wäre ineffizient (ca. 20 Prozent Verlust).
Es gibt noch einen entscheidenden Grund aus Gesamtsystemperspektive: die CO2-Bilanz des Ladens würde von CO2-freier zu 100 Prozent fossiler Erzeugung wechseln bezogen auf den Vergleich zwischen den Optionen „Überschussladen“ und „Laden zu einer Zeit mit nicht ausreichender Verfügbarkeit Erneuerbarer“ (siehe Abbildung 2).
Wenn ein Fahrzeug das Laden beginnt zu einem Zeitpunkt mit nicht ausreichender Erzeugung durch Erneuerbare, würde derzeit ein steuerbarer Erzeuger hochfahren, d. h. z. B. ein Gaskraftwerk mit fossilen Brennstoffen.
Deutschland könnte durch frühzeitiges Einführen von Überschussladen ca. 2 bis 4 Prozent seines verfügbaren CO2-Budgets nach dem Pariser Abkommen entlasten, d.h. ca. 100 bis 250 Mio. Tonnen CO2. Das wären 10 bis 25 Mrd. EUR bei 100 EUR/toCO2.
Berechnungen zeigen, dass im Jahr 2030 bei dem geplanten Ausbau der Erneuerbaren sowie der Elektromobilität eine Überschussladequote von 90 Prozent theoretisch erreicht werden könnte.
Überschussladen vs. Bidirektionales Laden und Vehicle to Grid (V2G)
Geht es beim Überschussladen um V2G? Man kann sich gut vorstellen, dass Fahrzeuge auch die Speicherung überschüssiger Energie übernehmen und später wieder zurückspeisen könnten. Das ist allerdings eine erweiterte Möglichkeit. Zuerst sollten die Fahrzeuge ihre selbst benötigte Energie in den Überschusszeiten aufnehmen. Wenn sie dann noch mehr Energie aufnehmen könnten, könnte V2G bei der Speicherung im Netz helfen. Sozusagen ist Überschussladen die unbedingte Pflicht und V2G die Kür für die Nutzung erneuerbarer Energieüberschüsse.
Was für das Überschussladen zu tun ist, wird im Folgenden hergeleitet.
Referenz-Anwendungsfälle für das Überschussladen
Wir verwenden Anwendungsfälle, um das Thema „Überschussladen“ zu bewerten, zu beschreiben und Lösungswege aufzuzeichnen. Dabei versuchen wir, die relevantesten aktuellen Herausforderungen zu identifizieren und beschreiben diese als Referenzanwendungsfälle. Sobald die Herausforderungen dieser Referenzanwendungsfälle durch die identifizierten Use Cases gelöst werden können, werden vermutlich auch die meisten anderen Herausforderungen des „Überschussladens“ gelöst sein.
Es gibt drei wesentliche Fragestellungen für das Überschussladen:
- Zu welcher Zeit und wo können Fahrzeuge geladen werden?
- Zu welchem Zeitpunkt treten Überschüsse auf?
- Was sind wahrscheinliche Stresssituationen oder Situationen, die ein Überschussladen verhindern?
Zu welcher Zeit und wo können Fahrzeuge geladen werden?
Die Analyse der Fahrzeugnutzung zeigt, dass ein PKW in Deutschland durchschnittlich 45 Minuten pro Tag genutzt wird, das entspricht 3 Prozent eines Tages (Nobis, 2018). In Deutschland sind die Hauptverkehrszeiten hauptsächlich zwischen 7 und 10 Uhr und 16 und 19 Uhr. Die folgende Abbildung 4 veranschaulicht die Unterschiede, die über eine Woche hinweg beobachtet wurden. Freitags ist das Verkehrsaufkommen bereits ab Mittag deutlich höher als an anderen Tagen.
Aus diesen Zahlen lässt sich ableiten, dass tagsüber zwischen 10 und 16 Uhr und nachts zwischen 22 und 7 Uhr eine hochrelevante Anzahl von Pkw auf einem Parkplatz abgestellt und geladen werden kann. Selbst während der Rush-Hours sind 90 Prozent der Fahrzeuge aus Privathaushalten geparkt. Eine neue Studie für 2023 wird derzeit durchgeführt (MiD).
Zu welchem Zeitpunkten treten Überschüsse auf?
Im April 2024 wurden Energieüberschüsse aus Photovoltaik (PV) durchschnittlich zwischen 10 und 17 Uhr erzeugt (siehe Abbildung 5). Spitzenwerte sind gegen Mittag zu beobachten. Vergleichbares gilt für alle PV-dominierten Regionen von Frühling bis Herbst und teils zunehmend sogar im Winter.
Aus den Daten in Abbildung 5 lässt sich ein weiteres Muster erkennen: An Wochenenden gibt es einen Überschuss, da Industrie und Wirtschaft größtenteils pausieren und damit die Nachfrage zu diesen Zeiten stark zurückgeht.
Im Winter ändert sich das Muster grundlegend (siehe Abbildung 6). Der Überschuss tritt eher nachts, insbesondere zwischen Mitternacht und 5 Uhr morgens auf. Der Einfluss des Wochenendes ist geringer und wird durch den Wechsel von Tag und Nacht in der Tageslastkurve dominiert.
- Kombiniert man die Parkzeit von PKW zwischen 10 und 16 Uhr mit den Überschüssen aus Solarenergie zwischen 10 und 17 Uhr, ergibt sich Szenario 1: Überschussladung während des Tages.
- Die Kombination der Parkzeit zwischen 22 Uhr und 6 Uhr morgens mit den Überschüssen aus dem Wind zwischen Mitternacht und 5 Uhr morgens führt zu Szenario 2: Überschussladung während der Nacht.
Was sind wahrscheinliche Stresssituationen oder Situationen, die ein Überschussladen verhindern?
In Experteninterviews konnten bestimmte Engpässe identifizieren werden, die es ermöglichen, die Anwendungsfälle zu schärfen, um als Referenzanwendungsfälle betrachtet zu werden.
Folgende Situationen sind zu betrachten:
„Aufladen zu Hause und im öffentlichen Raum“
- Das Laden zu Hause gestaltet sich je nach Wohnumfeld/-situation unterschiedlich. Menschen mit eigenem Haus, meist in Vororten, können die Ladeinfrastruktur problemlos selber in der eigenen Liegenschaft installieren. Die Kapazitätsengpässe des 400-V-Netzes müssen zwischen dem Netzbetreiber und den Haushalten verwaltet werden. Werden Fahrzeuge am Straßenrand geparkt, kann eine eigene Ladeinfrastruktur i. R. nicht installiert werden.
- Gerade im städtischen Umfeld oder mit Mehrfamilienhäusern sind gemeinschaftliche Parkflächen, z. B. in Untergeschossen, verfügbar. Auch dort kann die Infrastruktur einfacher installiert werden; ggf. sind die Kapazitäten limitiert. Die Kapazitätsgrenze eines Ladepunktes innerhalb des Parkplatzes wird vom Parkplatzanbieter oder einem zugewiesenen Ladepunktbetreiber (Charge Point Operator (CPO)) verwaltet.
- Stehen keine privaten Ladestationen zur Verfügung muss im öffentlichen Raum an öffentlichen Ladestationen mit den entsprechenden Herausforderungen (Kosten, Verfügbarkeit, unterschiedliche Anbieter) geladen werden. Die öffentlichen Ladesäulen werden von einem Ladepunktbetreiber (Charge Point Operator (CPO)) verwaltet, der auch das Kapazitätsmanagement durchgeführt.
„Laden am Wochenende“
In der Regel sind die Energiepreise an Wochenenden niedriger, da die Wahrscheinlichkeit eines Überschusses höher ist. Eigentümer von Elektrofahrzeugen werden versuchen, von den günstigeren Preisen zu profitieren und das Aufladen möglichst auf das Wochenende zu verlegen, so dass die benötigte Energie den Wochenbedarf oder zumindest eine vollständige Ladung der Batterie darstellt.
„Laden am Arbeitsplatz“
Dieser Fall ist dem Laden auf privaten oder öffentlichen Parkplätzen sehr ähnlich. Der CPO kann vom Unternehmen organisiert werden.
„Nachts zu Hause laden in sehr kalten Winterperioden“
Mit der zunehmenden Umstellung auf Wärmepumpen wird es bei Tagen unter -10 °C zu einem sehr hohen Bedarf an elektrischer Energie, die über das 400-V-Netz transportiert wird, kommen. In diesem Fall sind Wärmepumpen nicht mehr flexibel in ihren Verbrauchszeiten, da sie zur Deckung der benötigten Wärmeenergie und aufgrund des schlechteren Wirkungsgrades bei tiefen Temperaturen vermutlich fast durchgehend im Betrieb sind. Somit könnte die Kapazität des Netzes bereits durch diese Verbraucher ausgelastet sein und die Netzkapazität kein zusätzliches Laden mehr erlauben, auch wenn überregional ggf. Überschussenergie z. B. aus Wind zur Verfügung stehen würde.
„Laden an High Power Chargern (HPC) in Städten tagsüber“
Innerhalb von Städten ist es oft einfacher, HPCs in speziellen Ladebereichen oder in Geschäfts- und Gewerbebereichen wie Supermärkten, Restaurants usw. zu installieren. Diese Ladestationen sollten in der Lage sein, während der Überschusszeiten unter Volllast zu laufen. Einige Benutzer wie Nutzfahrzeuge (z. B. Taxis) oder Privatfahrzeuge können sie durchaus während der Überschusszeiten nutzen. Für die meisten Kunden stellen diese Möglichkeiten kein planbares Laden dar; sie können daher kaum zum Überschussladen genutzt werden.
Zusammenfassend können hieraus die folgende Referenzanwendungsfälle mit ihren spezifischen Herausforderungen entwickelt werden:
Anwendungsfall | Welche Herausforderung wird vom Use Case adressiert? |
| Privates Aufladen zu Hause am Wochenende 10-16 Uhr | 400V Netzkapazitätsmanagement zwischen einem Netzbetreiber und mehreren unabhängigen Stromverbrauchern. |
| Aufladen zu Hause an öffentlichen Ladestationen am Wochenende von 10 bis 16 Uhr | Öffentliche Parkplätze mit einer Ladestation pro Auto und Parkplatz. Kapazitätsmanagement von CPO und zufälligen Elektrofahrzeugen. |
| Aufladen auf Gemeinschaftsparkplätzen von 10 bis 16 Uhr | Parken auf einem Gemeinschaftsparkplatz mit einem Ladeplatz pro Auto und Parkplatz. Kapazitätsmanagement von CPO und zufälligen Elektrofahrzeugen. Netzkapazitätsmanagement in der Nieder- und Mittelspannungsebene. |
| Laden zu Hause im Winter in sehr kalten Perioden, Mitternacht bis 5 Uhr | Konkurrierende Nachfrage relevanter Verbraucher und verringerten Flexibilitäten, mit Kapazitätsmanagement zwischen Netz und Stromverbrauchern. |
Die Aufgabenstellung ist so weit verdeutlicht und kann gemeinsam mit Ihnen weiter ausgearbeitet werden, um über die Beschreibung von Use Cases zur Lösung, entsprechende Handlungsempfehlungen und Normungsbedarfe ableiten zu können.
Akteure beim Überschussladen:
- Nutzer und Besitzer eines E-Fahrzeuges
- CPO
- Netzbetreiber
- …
Normungsaspekte:
Anforderungen an Lösungen, die das Überschussladen fördern
Aus den Use Cases werden sich vermutlich auch neue Aspekte ergeben, die Normungsbedarf oder Empfehlungen zur Umsetzung definieren.
Gerade die Ermittlung der Normungsbedarfen, die eine Umsetzung/Realisierung eines Überschussladen unterstützen, ist das originäre Ziel dieses Beitrages.
Empfehlungen würden an die entsprechenden Normungsgremien oder den adressierten Stakeholdern weitergeleitet und über die folgende Umsetzung berichtet. Diese sind auch bereits jetzt herzlich zur Mitarbeit eingeladen.
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Philipp Renner
https://www.energy-charts.info , 2024
Grafiken Verkehrsaufkommen und Ladezeiten: DKE, basierend auf Daten des TomTom Traffic Index 2019
INRIX. (kein Datum). Traffic Congestion in Europe: INRIX Germany Traffic Scorecard Provides Revealing Look at Traffic Con-gestion in Cities Across the Country. Von https://inrix.com/press-releases/germany-scorecard-traffic-congestion-cities/ abgerufen
Nobis, C. u. (2018). Ergebnisbericht Mobilität in Deutschland – MID.
