Aufgrund der immer knapper werdenden Rohstoffe und der Klimabelastung rückt das Thema der Elektromobilität politisch motiviert in den Vordergrund. Die deutsche Bundesregierung beschloss im Rahmen des Nationalen Entwicklungsplanes Elektromobilität, dass 2020 bis zu einer Million Elektrofahrzeuge auf deutschen Straßen fahren sollen. Um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen, wird in allen Bereichen der Fahrzeugentwicklung sowie der Ladeinfrastruktur und der Planung von Elektroenergienetzen intensiv geforscht.
In dieser Arbeit wurden die Unterschiede vorhandener Niederspannungsnetzstrukturen beim Einsatz einer hohen Anzahl von Elektrofahrzeugen untersucht. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf die Parameter der Spannungsqualität, Transformator- und Leitungsbelastung gelegt. Weiterhin wurde untersucht ob mit Hilfe einer intelligenten Ladesteuerung sich die betrachteten Parameter verbessern lassen.
Es wurde herausgefunden, dass die betrachtete städtische Niederspannungsnetzstruktur mit Hilfe einer geringen Steuerung, es ermöglicht alle Elektrofahrzeuge aufzuladen. Dabei ist nur eine Verteilung der elektrischen Last über die Nachtstunden nötig, um den in der Stadt begrenzenden Faktor, die Transformatornennleistung nicht zu überschreiten. Im betrachteten ländlichen Netzgebiet war es jedoch selbst durch eine intelligentere Steuerung, als im städtischen Netz, nicht möglich den hauptbegrenzenden Parameter, die Spannungsqualität am Strangende in elektroenergienormkonforme Grenzen, zu verbessern. Für den 100% durchdringenden Elektrofahrzeugeinsatz ist somit ein Netzausbau unumgänglich.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Netzstrukturen
2.2 Elektromobilität
2.2.1 Anreiz
2.2.2 Mögliche Potentiale und Probleme
2.2.3 Elektrofahrzeuge und deren Kenndaten
3 Simulation
3.1 Auswahl der Netzgebiete
3.2 Implementierung der Netze
3.3 Randbedingungen
3.3.1 Verbraucherstruktur
3.3.2 Privatmobilitätsstruktur
3.3.3 Ladekurve
3.4 Ablauf der Simulation
4 Auswertung der Ergebnisse
4.1 Ermittlung der Netzbelastbarkeit
4.1.1 Ladeszenario im städtischen Netz
4.1.2 Ladeszenario im ländlichen Netz
4.2 Verlustbetrachtung
4.3 Intelligente Ladesteuerung im ländlichen Netz
5 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die Auswirkungen der Integration einer großen Anzahl von Elektrofahrzeugen in städtische und ländliche Niederspannungsnetze unter Berücksichtigung technischer Grenzen und notwendiger intelligenter Ladesteuerungsstrategien.
- Vergleich von städtischen und ländlichen Niederspannungsnetzstrukturen
- Analyse der Netzbelastung durch Elektrofahrzeug-Ladezyklen
- Festlegung realistischer Simulations-Randbedingungen
- Entwurf intelligenter Ladesteuerungsalgorithmen
- Bewertung der Spannungsstabilität und Leitungsverluste
Auszug aus dem Buch
3.3.2 Privatmobilitätsstruktur
Um eine Betrachtung der Ladeleistungen durchzuführen, muss zuerst ein typisches Nutzungsprofil für Elektrofahrzeuge erstellt werden. Ein durchschnittliches deutsches Fahrzeug legt eine Strecke von 25 km pro Tag zurück. Diese Kilometerangabe wird in der Studie ”Mobilität im Personenverkehr in Europa”[16] belegt. Die Wegstrecke von 25 km wird auch als Parameter in der vorliegenden Arbeit angenommen. Die Anzahl der in Deutschland zugelassenen Personenkraftfahrzeuge beläuft sich auf ca. 49 Mio. Stück [7]. Im mobilen Individualverkehr werden täglich 1764 Mio. Personenkilometer auf 121 Mio. Wegen zurückgelegt [19], ein Fahrzeug legt somit 2,47 Wege mit je 15 km zurück. Die Wegstrecke, die ein Personenkraftwagen an einem Tag zurücklegt beträgt 37 km, dies liegt nur gering über der angenommenen Reichweite. Weiterhin gab das statistische Bundesamt im Jahr 2006 eine durchschnittliche jährliche Fahrleistung von 11500 km pro Personenkraftfahrzeug an. Dies ergibt eine tägliche Fahrstrecke von 31,5 km. Den höheren Zahlen liegen allerdings auch Berufspendler mit zu Grunde, d.h. der durchschnittliche Stadtbewohner legt deutlich weniger Strecke zurück, womit die 25 km Fahrstrecke pro Tag eine durchaus realistische Annahme sind. Da die Vorteile zur Nutzung von Elektromobilität im städtischen Verkehr überwiegen, wird eine Markteinführung zunächst in Großstädten stattfinden. Als Vereinfachung und zum besseren Vergleich wird daher davon ausgegangen, dass die in dieser Arbeit betrachteten Personenkraftfahrzeuge sowohl in der Stadt, als auch auf dem Land, 25 km Strecke pro Tag zurücklegen.
Aus den weiter oben angegebenen Kenndaten der verschiedenen Elektrofahrzeuge müssen nun Daten ausgewählt werden, welche als Simulationsbedingungen bindend sind. Für den Markterfolg von Elektrofahrzeugen ist ebenfalls eine Weiterentwicklung der Energiespeicher nötig. Somit wird in der hier vorliegenden Arbeit von einer durchschnittlichen Speicherkapazität von 40 kWh [20] ausgegangen. Der durchschnittliche Energieverbrauch von Elektrofahrzeugen hängt sowohl von den benötigten elektrischen Leistungen der Elektromotoren und anderen Fahrzeugkenndaten ab, als auch von der Fahrweise des Fahrzeugnutzers. Aufgrund dessen wird in dieser Arbeit ein durchschnittlicher Verbrauch von 20 kWh auf 100 km Fahrstrecke angenommen und darauf hingewiesen, dass dieser noch Möglichkeiten zur Verbesserung aufweist.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt das wachsende Feld der Elektromobilität und die Zielsetzung der Arbeit, die Auswirkungen auf Niederspannungsnetze zu untersuchen.
2 Stand der Technik: Erläutert bestehende Netzstrukturen sowie Hintergründe zur Elektromobilität und den technischen Kenndaten aktueller Elektrofahrzeuge.
3 Simulation: Definiert die Rahmenbedingungen für die Netzsimulation, einschließlich der Auswahl der Netzgebiete, Verbraucherprofile und der Modellierung von Ladekurven.
4 Auswertung der Ergebnisse: Analysiert die Belastbarkeit der Netze sowie die Spannungsstabilität und Verluste, unter Einsatz einer intelligenten Ladesteuerung.
5 Zusammenfassung: Fasst die gewonnenen Erkenntnisse zur Netzintegration von Elektrofahrzeugen und zur Notwendigkeit intelligenter Steuerungsmechanismen zusammen.
Schlüsselwörter
Elektromobilität, Niederspannungsnetz, Lastflussberechnung, Netzbelastbarkeit, Elektrofahrzeuge, Intelligente Ladesteuerung, Spannungsstabilität, Netzstruktur, Stromnetz, Ladeinfrastruktur, Simulation, Energiebedarf, Transformatorbelastung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht die Auswirkungen des Ladens von Elektrofahrzeugen auf die Stabilität und Belastbarkeit von städtischen und ländlichen Niederspannungsnetzen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zu den Kernbereichen gehören Netzstrukturen, Elektromobilität, Lastflussberechnungen, Ladeinfrastruktur sowie die Entwicklung von Ladealgorithmen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist die Ermittlung einer verlässlichen Anzahl von Elektrofahrzeugen, die ohne einen Netzausbau in bestehenden Niederspannungsnetzen geladen werden können.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden Lastflussberechnungen mit dem Programm ELEKTRA durchgeführt, wobei reale Energiezeitreihen und mathematisch modellierte Ladekurven für Elektrofahrzeuge zugrunde gelegt werden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst die detaillierte Beschreibung der Netzgebiete, der Simulationsparameter, die Auswertung der Netzbelastung sowie die Konzeption und Prüfung einer intelligenten Ladesteuerung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit fokussiert sich auf Elektromobilität, Niederspannungsnetze, Lastflussberechnung, Spannungsstabilität und intelligente Ladesteuerung.
Warum unterscheidet sich das städtische vom ländlichen Netz in der Analyse?
Die Analyse zeigt, dass städtische Netze aufgrund ihrer Ringstruktur und kürzeren Leitungswege stabiler sind, während ländliche Netze durch lange Strahlennetze und geringere Stromtragfähigkeiten schneller an ihre Belastungsgrenzen stoßen.
Welchen Einfluss hat die intelligente Ladesteuerung?
Sie verhindert Netzüberlastungen, indem sie Ladevorgänge zeitlich gestaffelt und auf verschiedene Leitungsstränge verteilt, wodurch die Spannungsqualität signifikant verbessert wird.
Warum ist der Transformator in städtischen Netzen der limitierende Faktor?
Da die Leitungen im städtischen Bereich für hohe Lasten ausgelegt sind, ist meist die Transformatorleistung bei gleichzeitigem Laden vieler Fahrzeuge in der Nacht das Nadelöhr.
Welche Rolle spielt die DIN EN 50160 in der Arbeit?
Diese Norm dient als Referenzwert für die zulässige Spannungsabweichung, die in den Simulationen im ländlichen Netz ohne Steuerung teilweise überschritten wurde.
- Quote paper
- David Kühnert (Author), 2010, Vergleich von Niederspannungsnetzstrukturen unter Berücksichtigung einer hohen Anzahl von Elektrofahrzeugen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/178216
