In der vorliegenden Diplomarbeit wird das Ladeverhalten von privaten und gewerblichen Elektrofahrzeugen in der Region Stuttgart untersucht. Für diese Analyse werden 20 Fahrzeuge für einen Zeitraum von neun Monaten in einem Flottenversuch betrieben. Die Probanden haben dabei die Möglichkeit, das Fahrzeug an einer heimischen Wallbox und an öffentlichen Ladestationen zu laden, die durch einen regionalen Energieversorger bereitgestellt und überwacht werden.
Die aufgezeichneten Daten werden in einem ersten Schritt bereinigt und anschließend zu einem kombinierten Datensatz zusammengeführt, mit dem sich das Ladeverhalten der Flotte charakterisieren lässt. Eine der grundlegenden Fragestellungen ist die Einteilung der Probanden in charakteristische Nutzergruppen anhand ihres Ladeverhaltens.
Insbesondere werden nachfolgende Schwerpunkte des Ladens untersucht:
Bei der Analyse des Ladeverhaltens wird neben den Anteilen an privaten und öffentlichen Ladevorgängen auch der Beginn der Ladevorgänge, die Steckdauer sowie die tatsächliche Nutzung der bereitgestellten öffentlichen Ladeinfrastruktur betrachtet. Die technische Analyse beschreibt die während eines Ladevorgangs in der Fahrzeugbatterie ab-laufenden Prozesse und zeigt die daran beteiligten Kenngrößen auf. Dieser Analyse-Abschnitt projiziert auch das im Flottenversuch vorliegende Ladeverhalten auf Batterielebensdauer senkende Faktoren. Mittels des Zusammenspiels zwischen dem Ladepunkt und dem Elektrofahrzeug wird der Wirkungsgrad für einen Ladevorgangs ermittelt. Weiterhin wird der Einfluss der Außentemperatur auf unterschiedliche Aspekte des Ladens betrachtet.
Der Erlös eines Energieversorgers durch ein Elektrofahrzeug wird bei der energiewirtschaftlichen Analyse dargelegt. Darin wird weiterhin der Energiebedarf an unterschiedlichen Wochentagen sowie über den Tagesverlauf betrachtet um daraus ein Lastprofil für ein Elektrofahrzeug abzuleiten. In Verbindung mit einem H0-Standardlastprofil wird ein kombiniertes Lastprofil für ein 4-Personen-Haushalt mit Elektrofahrzeug erstellt.
Ein weiterer wichtiger Aspekt der Arbeit ist eine Betrachtung der Fahrzeugverfügbarkeit am Netz und des resultierenden Energiepufferpotenzials. Die Verfügbarkeit und das Pufferpotenzial werden auf ein Elektromobilitätsszenario 2020 projiziert und die resultierenden energiewirtschaftlichen Implikationen für Ladelastverschiebung und bidirektionales Laden abgeleitet.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1. Motivation und Ziel der Arbeit
1.2. Fachgebiet der Arbeit
1.3. Zielstellung
1.4. Lösungsansatz
1.5. Gliederung der Arbeit
2. Gegenwart und Zukunft der Elektromobilität
2.1. Aspekte der Elektromobilität
2.2. Infrastruktur in Deutschland
2.2.1. Aktuelle Situation
2.2.2. Zukünftige Herausforderungen
2.3. Das Projekt Audi NEoS
3. Theoretische Analysegrundlagen
3.1. Statistische Grundlagen
3.1.1. Lebensdaueranalyse
3.1.2. Kernel Density Estimation
3.2. Technische Grundlagen
3.2.1. Energiespeicher und -systeme
3.3. Energiewirtschaftliche Grundlagen
3.3.1. Belastungsdarstellung
3.3.2. Stromhandel und Strompreisentstehung auf dem EPEX-Spotmarkt
4. Arbeitsrahmen
4.1. Infrastruktur
4.1.1. Der Audi A1 e-tron
4.1.2. Die private EnBW-Wallbox
4.1.3. Die öffentliche EnBW-Ladestation
4.2. Messtechnik und Rohdatenzusammenstellung
4.2.1. Fahrzeugspezifische Rohdaten
4.2.2. Backendspezifische Rohdaten
5. Rohdatenaufbereitung
5.1. Rohdatenstruktur
5.1.1. Grundsätzlicher Datensatzaufbau
5.1.2. Fahrzeugspezifischer Datensatz
5.1.3. Backendspezifischer Datensatz
5.1.4. Ergänzende Datenstrukturen
5.2. Datensatzkombination
5.3. Analysestruktur
6. Datenanalyse
6.1. Analyse des Ladeverhaltens
6.1.1. Nutzungsverteilung der Ladeinfrastruktur
6.1.2. Ladebeginn
6.1.3. Wöchentlicher Ladebeginn
6.1.4. Steckdauer
6.1.5. Öffentliche Infrastrukturnutzung
6.2. Technische Analyse
6.2.1. Der vollhubige Ladevorgang
6.2.2. Belastung auf Batterielebensdauer
6.2.3. Temperatureinfluss
6.2.4. Wirkungsgrad
6.3. Energiewirtschaftliche Analyse
6.3.1. Strompreis am EPEX-Spotmarkt
6.3.2. Umsatz für den Energieversorger
6.3.3. Energiebedarf
6.3.4. Lastprofil des Flottenversuchs
7. Implikationen für die Energiewirtschaft
7.1. Verfügbarkeitspotenzial
7.2. Energiespeicherpozenzial
7.3. Prognose 2020
8. Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Ziel der Arbeit ist die empirische Analyse des Ladeverhaltens von Elektrofahrzeugen in der Region Stuttgart anhand eines neunmonatigen Flottenversuchs, um daraus Rückschlüsse auf Netzbelastung, Nutzergruppen und Potenziale für Ladelastverschiebung sowie bidirektionales Laden zu ziehen.
- Charakterisierung des Ladeverhaltens privater und gewerblicher Elektrofahrzeugnutzer
- Technische Analyse der Batterieladeprozesse und deren Einfluss auf die Lebensdauer
- Energiewirtschaftliche Untersuchung von Lastprofilen und Netzbelastung
- Potenzialabschätzung für Smart-Grid-Integration und Ladelastverschiebung bis 2020
Auszug aus dem Buch
1.1. Motivation und Ziel der Arbeit
Im Hinblick auf eine nachhaltige Mobilität steigt in Deutschland die Anzahl der Elektrofahrzeuge und mit ihr der Ausbau der dafür notwendigen Ladeinfrastruktur. Die Bundesregierung und die deutsche Industrie haben sich im Rahmen der Nationalen Plattform Elektromobilität (NPE) darauf verständigt, den Ausbau der Elektromobilität zu fördern und die Anzahl der Elektrofahrzeuge in Deutschland bis zum Jahr 2020 auf eine Million zu steigern [Bun09].
Das Laden einer solchen Anzahl an Elektrofahrzeugen bewirkt eine nicht unbedeutende Mehrbelastung des Stromnetzes. Für den Netzbetreiber bedeutet dies, das Ladeverhalten der Elektrofahrzeugnutzer möglichst genau zu prognostizieren und dadurch auch zukünftig eine sichere Stromversorgung gewährleisten zu können [BDW09]. Im Hinblick auf die Dauer und den logistischen Aufwand für die Bereitstellung einer schnellen und geographisch verteilten Stromversorgung, muss die Planung frühzeitig beginnen und kontinuierlich erfolgen.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Vorstellung der Motivation für das Thema Elektromobilität, der Zielsetzung sowie der Struktur der Arbeit.
2. Gegenwart und Zukunft der Elektromobilität: Grundlagen der Elektromobilität, politische Ziele und das Projekt Audi NEoS.
3. Theoretische Analysegrundlagen: Vermittlung statistischer, technischer und energiewirtschaftlicher Kennzahlen als Basis für die Berechnungen.
4. Arbeitsrahmen: Beschreibung der technischen Infrastruktur, des Fahrzeugtyps und der Datenerfassung.
5. Rohdatenaufbereitung: Erläuterung der Filterung und Strukturierung der Rohdaten in der Analysesoftware Matlab.
6. Datenanalyse: Detaillierte Auswertung des Ladeverhaltens, technischer Parameter und energiewirtschaftlicher Aspekte.
7. Implikationen für die Energiewirtschaft: Analyse der Potenziale für Lastverschiebung und bidirektionales Laden sowie eine Prognose für 2020.
8. Zusammenfassung und Ausblick: Fazit der Studienergebnisse und Ausblick auf zukünftige Entwicklungen.
Schlüsselwörter
Elektromobilität, Ladeverhalten, Flottenversuch, Netzbelastung, Smart Grid, Lastprofil, Batterielebensdauer, Ladeinfrastruktur, SOC, bidirektionales Laden, Lastverschiebung, Energieversorger, Elektrofahrzeug, Stuttgart, Audi A1 e-tron
Häufig gestellte Fragen
Was ist das grundlegende Thema der Arbeit?
Die Arbeit untersucht das reale Ladeverhalten von privaten und gewerblichen Elektrofahrzeugen in der Region Stuttgart im Rahmen eines umfangreichen Flottenversuchs.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Der Fokus liegt auf dem Ladeverhalten (Wann? Wie lange?), der technischen Analyse der Fahrzeugbatterien, ökonomischen Aspekten für Energieversorger und der Frage nach der zukünftigen Integration in intelligente Stromnetze.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist es, durch empirische Daten charakteristische Nutzergruppen zu identifizieren und Potenziale für eine netzdienliche Ladesteuerung (Lastverschiebung) sowie bidirektionales Laden zu ermitteln.
Welche methodischen Ansätze werden zur Analyse genutzt?
Es werden Rohdaten aus Fahrzeugloggern und Backends ausgewertet, statistisch bereinigt und in der Analysesoftware Matlab verarbeitet, unter anderem unter Nutzung von Kernel Density Estimation (KDE) und Gamma-Verteilungen.
Welche Kernpunkte behandelt der Hauptteil der Arbeit?
Neben der Nutzergruppeneinteilung analysiert der Hauptteil die Auswirkungen des Ladens auf die Batterielebensdauer, berechnet Stromlastprofile für Haushalte und untersucht den Wirkungsgrad der Ladevorgänge.
Wie lässt sich die Arbeit anhand ihrer Schlüsselwörter beschreiben?
Die Arbeit ist zentral an der Schnittstelle zwischen Automobiltechnik (Elektrofahrzeug) und Energiewirtschaft (Lastmanagement, Smart Grid) angesiedelt.
Welche Rolle spielt die Netzbelastung bei der Auswertung?
Die Netzbelastung dient als grundlegender Indikator dafür, wie sich die wachsende Anzahl an Elektrofahrzeugen auf die Stabilität der Stromversorgung auswirkt und wie Lastmanagement diese Belastung minimieren kann.
Warum wird zwischen Heimlader und Öffentliche Lader unterschieden?
Unterschiedliche Ladeorte führen zu völlig anderen Ladezeitpunkten und Steckdauern, was für die Netzstabilität und die Planung von Ladeinfrastruktur maßgebliche Unterschiede in der Planung bedeutet.
Was ist das Ergebnis der Analyse der Batterielebensdauer?
In der Region Stuttgart ist der Einfluss der Außentemperaturen auf die Batteriealterung moderat, die Zyklenlebensdauer hängt jedoch stark vom Ladeverhalten (DOD) und der Nutzungshäufigkeit ab.
Ist ein hoher Anteil an öffentlichem Laden wirtschaftlich sinnvoll?
Die Untersuchung zeigt, dass die Nutzung öffentlicher Ladestationen im Vergleich zum Laden zu Hause deutlich teurer ist und deren Ausbau aufgrund des Ladeverhaltens (kurze Steckdauer) nur an spezifischen Standorten zielführend ist.
- Arbeit zitieren
- Stanislav Plohotski (Autor:in), 2014, Analyse des Ladeverhaltens von Elektrofahrzeugen in öffentlichen und privaten Räumen und die Auswirkung auf die Netzbelastung, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1224811
