E-Mobilität und E-Parkhäuser als Zukunftslösung. Wie kann eine Infrastruktur für mehr erneuerbare Energien auf den Straßen geschaffen werden?


Diplomarbeit, 2017
95 Seiten

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Kurzfassung

Begriffsdefinitionen

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Problemstellung

2 Aufbau der Arbeit

3 Grundlagen
3.1 CO2 – Emissionen
3.2 E-Mobilität
3.3 Adapter und Verbindungskabel
3.4 Übersicht Energiemarkt Strom

4 Parameter Definition
4.1 E-Mobilist
4.2 Ladesystem
4.3 Park & Ride
4.4 Energie
4.5 WEB-App
4.6 Geschäftsmodelle

5 Methode der Auswertung

6 Zusammenfassung der Parameter
6.1 Zusammenhang E-Mobilist – P+R-Anlage
6.2 Zusammenhang E-Mobilist – Energie
6.3 Zusammenhang P+R Anlage – Energie

7 Diskussion der Ergebnisse und Schlussfolgerungen
7.1 E-Mobilist
7.2 P+R Anlage

8 Conclusio, Handlungsempfehlung

9 Literaturverzeichnis

10 Anhang

Pkw-Bestand 2011 - 2016 101

Graphic Facilitation 103

Kurzfassung

In dieser Masterthesis wird die Parkgarage als Bindeglied zwischen den Hauptakteuren E-Mobilität und Energiewirtschaft betrachtet und nimmt, nicht uneigennützig, eine Akteursrolle in Anspruch.

Die zentrale Fragestellung ist, ob jeder der Akteure seine Bedürfnisse decken kann und damit einen Gewinn aus der Kooperation bzw. aus den Geschäftsmodellen zieht.

Den ersten Akteur stellt die Elektromobilität dar. Das Fehlen einer nutzergerechten Infrastruktur hindert den Durchbruch der E-Mobilität. Die Frage „Was ist nutzergerechte Infrastruktur?“ wird behandelt und bringt einen vom Schnelllader abweichenden Bedarf. Der Standpunkt von Städten und Gemeinden „Keine Ladeinfrastruktur im öffentlichen Raum“ anzubieten (Laternenparker), hilft dem E-Mobil-Interessenten nicht weiter, die Aussicht an einem Schnelllader 30 Minuten auf Ladung zu warten oder bei Ladestellenbetreibern Ansteckzeit zu bezahlen, fördert nicht die Umstiegsbereitschaft.

Als zweiter Akteur steht die Energiewirtschaft. Flukturierende Stromerzeugung und Verbrauch fordern nicht nur die physikalischen Netze, sondern wirken auch in der Finanzwelt mit stark schwankenden Strompreisen. Verschärft wird die Situation durch die Fördersysteme für erneuerbare Energie, dadurch gibt es mehrmals im Jahr negative Strompreise. In der Masterarbeit wird nicht näher auf einen speziellen Akteur der Energiewirtschaft eingegangen, da die Rolle des Akteurs Energiewirtschaft sowohl vom Erzeuger (z.B. Windparkbetreiber), Händler, Netzbetreiber als auch Infrastrukturbetreiber wahrgenommen werden kann.

Der dritte Akteur stellt das Bindeglied zwischen den beiden Akteuren dar. Sein Kern-Geschäftsmodell verändert sich dabei nicht. Er stellt Parkraum zur Verfügung. Die spezielle Erweiterung ist, dass er Parkraum ausschließlich für E-Mobile zur Verfügung stellt und jede Stellfläche einen Ladepunkt bietet.

Durch Korrelation der Akteursvariablen und Reduktion auf die „wahrscheinlichsten“ Werte werden realisierbare Geschäftsmodelle beschrieben. Für die wirtschaftliche Betrachtung fehlen maßgebliche Parameter wie zum Beispiel: wer investiert in die Infrastruktur, wer liefert wie die Energie und dgl. Die Potenzialanalyse zu den gewählten Parametern ist vielversprechend.

Schlussfolgerung:

Die Idee des E-Parkhauses unterstützt E-Mobility als einen Lösungsansatz für CO2-Reduktion im Modal Split. Dies bewirkt auch Nebeneffekte wie keine Kabel im öffentlichen Raum und weniger Fahrzeuge in der Innenstadt. Der E-Mobilist erhöht seinen Komfort durch die Möglichkeit der Nutzung einer Stellfläche mit Ladepunkt. E-Carsharinganbieter benötigen ebenfalls Stellfläche und Ladepunkt und erhöhen die Auslastung von P+R Anlagen. Der Kunde zahlt bezogene Energie und nicht Ansteckzeiten. Das Laden der Fahrzeuge wird variabel vom Energiebereitsteller vollzogen, dieser kann somit die Preisschwankungen nutzen oder die Last zur Netzstabilisierung verwenden. Ist zum Beispiel der Windkraftanlagenbetreiber der Energiebereitsteller, so kann dieser die Energie außerhalb der Börse vermarkten. Der Parkgaragenbetreiber hat den Vorteil, dass seine Stellflächenauslastung verdoppelt wird. Kleinere positive Effekte sind in der naheliegenden Infrastruktur (Einkaufszentrum, Shops) denkbar.

Begriffsdefinitionen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1-1 Climate Science - the complete timeline, created by jg

Abbildung 2-1 Ablauf Modellierung

Abbildung 3-1 Eigene Darstellung ergänzt mit Daten (Pfaffenbichler, 2009)

Abbildung 3-2 Classic Mini mit E-Mobil Kriterien

Abbildung 3-3 Ladestecker Typ 1 verbaut im Opel Ampera; Nissan Leaf; Mitsubishi Outlander, Kia Soul EV, etc.

Abbildung 3-4 Ladestecker Typ 2 verbaut im Renault Zoe / Kangoo Z.E. (2016) / Fluence Z.E. (2016), Hyundai Ioniq Hybrid, Tesla Model S, etc.

Abbildung 3-5 Ladestecker Combo 2, verbaut im BMW i3, Hyundai Ioniq Electric

Abbildung 3-6 Ladestecker CHAdeMO im Citroen C-Zero, Kia Soul EV, BMW i3 (Japan), Nissan Leaf und e-NV200, etc.

Abbildung 3-7 Bordcomputer Opel Ampera

Abbildung 3-8 Stand Stromzähler vor und nach dem Laden des Opel Ampera (Außentemperatur 6°C)

Abbildung 3-9 Stirnflächenermittlung mit AutoCAD 2017 für Ioniq und Zoe

Abbildung 3-10 Verlauf der Teststrecke

Abbildung 3-11 Höhen- und Geschwindigkeitsprofil Teststrecke (Active Fitness)

Abbildung 3-12 Bordcomputer Opel Ampera

Abbildung 3-13 SchuKo Steckdose (eigenes Foto)

Abbildung 3-14 CEE Steckverbinder (Quelle: pcelectric)

Abbildung 3-15 CEE Steckverbinder (Quelle: pcelectric)

Abbildung 3-16 Wallbox Fa. Keba für Typ2 und Typ1 mit 4m Kabel (Keba,2017)

Abbildung 3-17 ABL Wallbox eMH1 (ABL,2017)

Abbildung 3-18 Wallbox mit Typ2 Steckerbuchse (Keba, ABL)

Abbildung 3-19 Ladesäulen (Mennekes, Smatrics)

Abbildung 3-20 Schnellladesystem der Firma ABB

Abbildung 3-21 v.l. Schuko Ladekabel, CEE blau und CEE rot/Schuko Adapter, Typ2 Buchse/Typ1 Adapter, Ladekabel Typ2/Typ1 (eigener Besitz)

Abbildung 3-22 NRGkick Mobile Ladestation 32 A light und PHOENIX CONTACT Spiralladekabel

Abbildung 3-23 Tesla CHAdeMO Adapter (Quelle Teslashop)

Abbildung 3-24 Ökostromförderung und Finanzierung

Abbildung 3-25 Tage mit negativen Strompreis (Dyfed Loesch, 2016)

Abbildung 3-26 P&R Stellplatzangebot NÖ Ost (Rittler, Planungsgemeinschaft Ost, 2013)

Abbildung 3-27 P&R Stellplatzauslastung (Rittler, Planungsgemeinschaft Ost, 2013)

Abbildung 3-28 P&R Wien (Eigene Darstellung Datenquellen: Google, Park and Ride, Garagenbetreiber)

Abbildung 3-29 Stellplatzauslastung Wien (Rittler, 2013)

Abbildung 3-30 Modal Split nach Einfahrtskorridoren / 5:00 bis 9:00 Uhr (Rittler, 2016)

Abbildung 4-1 Wegstrecken Berufspendler (Statistik Austria, 2016)

Abbildung 4-2 Einzugsgebiet (eigene Darstellung Qellen: Geoland, Statistik, Rittler)

Abbildung 4-3 Ausflugsziele Niederösterreich Card (Top-Ausflugsziele, 2017)

Abbildung 4-4 Auszug Golfplätze Nähe Wien (Maps Google)

Abbildung 4-5 Standorte Carsharing System Zipcar (Zipcar, 2017)

Abbildung 4-6 Wallbox mit Typ2 Buchse und Kabel mit Typ2 Stecker (Alfazero, 2017)

Abbildung 4-7 Technischen Daten der Wallbox Alfazero

Abbildung 4-8 P+R Aderklaaer Straße (eigene Aufnahme)

Abbildung 4-9 Übergang P+R zur U1 Station (eigene Aufnahme)

Abbildung 4-10 Stations und Umsteigeplan U1 (WienerLinien, 2017)

Abbildung 4-11 Lageplan (Quelle: eigene Darstellung Plandaten google.at/maps)

Abbildung 4-12 Lageplan (Quelle: eigene Darstellung Plandaten google.at/maps)

Abbildung 4-13 Anbindung an das Schnellstraßennetz S2

Abbildung 4-14 A technology roadmap of the Internet of Things (DNI, 2008)

Abbildung 4-15 Flussdiagramm 1. Schritt

Abbildung 4-16 Flussdiagramm Ladepunkt freischalten

Abbildung 4-17 Flussdiagramm Laden ändern oder beenden

Abbildung 6-1 Ablauf Modellierung mit eingetragenen Parametern

Abbildung 6-2 Zusammenhang Akteure

Abbildung 10-1 graphische Darstellung

Tabellenverzeichnis

Tabelle 3.1 PKW, LKW und Zweiräder - Bestand 2013 (Statistik Austria, 2014)

Tabelle 3.2 Treibhausgas-Emissionen aus dem Straßenverkehr nach Fahrzeugkategorien (in 1.000 t CO2-Äquivalent) (in Anlehnung an (UBA, 2015))

Tabelle 3.3 Rollwiderstand μR (Tobias Schmidt, Dirk Schlender, 2003)

Tabelle 3.4 Geschwindigkeit je Streckenanteil

Tabelle 3.5 Fahrwerte Teststrecke mit Opel Ampera

Tabelle 3.6 BEV Neuzulassungen bezogen auf PKW Gesamt

Tabelle 3.7 Einteilung der Ladeleistung und Lademodus nach IEC61851-1

Tabelle 3.8 Verwendete Umstiegs Möglichkeiten

Tabelle 3.9 P&R Standort, Ladeinfrastrukturbetreiber

Tabelle 4.1 Ergebnisse Berechnung, Testfahrt, Herstellerangaben

Tabelle 4.2 Gegenüberstellung Einfahrtskorridor

Tabelle 6.1 Parameter E-Mobilist - P+R-Anlage

Tabelle 6.2 Parameter E-Mobilist - Energie

Tabelle 6.3 Leistungsverteilung nach Geschäftsmodell

Tabelle 6.4 Parameter P+R-Anlage - Energie

Tabelle 10.1 Pkw-Bestand am 31.12.2011 nach Kraftstoffarten bzw. Energiequelle und Bundesländern

Tabelle 10.2 Pkw-Bestand am 31.12.2012 nach Kraftstoffarten bzw. Energiequelle und Bundesländern

Tabelle 10.3 Pkw-Bestand am 31.12.2013 nach Kraftstoffarten bzw. Energiequelle und Bundesländern

Tabelle 10.4 Pkw-Bestand am 31.12.2014 nach Kraftstoffarten bzw. Energiequelle und Bundesländern

Tabelle 10.5 Pkw-Bestand am 31.12.2015 nach Kraftstoffarten bzw. Energiequelle und Bundesländern

Tabelle 10.6 Pkw-Bestand am 31.12.2016 nach Kraftstoffarten bzw. Energiequelle und Bundesländern

1 Einleitung

Der Begriff Mobilität wird seit dem 18. Jahrhundert verwendet. Er entstammt aus der französischen Militärsprache mobile „beweglich, kriegsbereit“, im lateinischen kennt man die Wörter „movibilis“ beweglich oder „movere“ bewegen. Mobilität wird als physische, psychische oder soziale „Beweglichkeit“ im deutschen Sprachgebrauch verwendet. Ein Bereich der physischen Mobilität stellt die Beweglichkeit des Menschen zur Überwindung räumlicher oder geografischer Distanzen außer Haus dar.

Nach sozialwissenschaftlicher Auffassung ist räumliche Mobilität beschränkt auf „die Bewegung im Raum, die einen Wohnortwechsel impliziert“ (Albrecht, 1972). Die Migration oder „Wanderungsmobilität“ (Henrry Consult GmbH, 2012) oder auch residentielle Mobilität wird definiert durch eine räumliche Bewegung von Haushalten zum Zweck eines dauerhaften Wechsels der Wohnung bzw. des Wohnortes. Zur physischen Mobilität gehört auch die zirkuläre Mobilität (Schneider, 2001) oder Verkehrsmobilität (Henrry Consult GmbH, 2012), sie umfasst die regelmäßige Überwindung größerer Distanzen und längerer Abwesenheiten vom Wohnort ohne jedoch den Lebensmittelpunkt, den Wohnort zu verändern.

Die Mobilität zwischen Wohn- und Arbeitsort wird je nach Entfernung als Fern- oder Nahpendeln bezeichnet. Die Menge der Personen, welche gleichzeitig ihre Mobilität ausüben, bestimmt wieviel Verkehr ist. Verkehr ist die technische, organisatorische und ökonomische Maßnahme, um Personen und Güter zu befördern (Krieger, Malina, von Stackelberg, & Piekenbrock, 2017). Der Begriff „Verkehr“ in Bezug auf Mobilität stellt einen Sammelbegriff aller Möglichkeiten der Beweglichkeit dar, darunter fallen Begriffe wie Öffentlicher-, Individual-, Güter-, Fahrrad- oder Fußgängerverkehr etc.

Bewegt sich eine zu hohe Anzahl von Fahrzeugen pro Zeiteinheit (und/oder pro Streckenlänge) auf einer Wegstrecke, so kommt es zum Verkehrsstau bzw. zur Überlastung des Verkehrsweges (des Straßennetzes). Stillstand ist die Folge.

Im Energienetz kommt es zur Überlastung, wenn der Transport über die Leitungswege vom Erzeuger zum Verbraucher technisch nicht mehr möglich ist. Ein solcher Zustand tritt dann ein, wenn die Prognose zur tatsächlichen Erzeugung, im Bereich der Erneuerbaren Energien abweicht. Der Windenergiereport für Deutschland (Rohrig, 2014) weist einen mittleren quadratischen Vorhersagefehler (RMSE) bezogen auf die mittlere installierte Anlagenleistung im Jahr 2014 von 2,89 % aus. Die maximale positive Abweichung lag bei 14,2 %, ihr negatives Äquivalent betrug -21,3 %.

Wird jedoch mehr Leistung zur Verfügung gestellt als benötigt, müssen Kraftwerke außer Betrieb genommen werden, ansonsten ändert sich Spannung und/oder Frequenz.

In den zentralisierten Energienetzen des vergangenen Jahrtausends war die Richtung des Energieflusses vorgegeben, und zwar vom Kraftwerk zum Verbraucher. Unterschiedliche Bedürfnisse der Verbraucher verursachten die sogenannten „Schwankungen“ der Produktion.

Nach den Energiekrisen 1973 und 1979 entstand die Idee vom Amerikaner Amory Bloch Lovins der „Sanften Energie“ (Lovins, 1979). „Der Spiegel“ (Spiegel, 1979) schreibt:

Die neue Ära, prophezeit Lovins, werde das Ende der bisherigen "harten" Energie-Technik bringen: Mit ihren hochgradig zentralisierten, expansiven, komplizierten und deshalb überaus anfälligen Produktions- und Verteilungssystemen, so urteilt er, stecke die herkömmliche Energiepolitik längst in einer technischen und wirtschaftlichen Sackgasse, aus der ihr auch die Atomkraft nicht mehr heraushelfen könne.

Das Öko-Institut definiert im Buch „Energiewende – Wachstum und Wohlstand ohne Erdöl und Uran“ (Krause, Bossel, & Müller-Reißmann, 1980) den Begriff Energiewende und die Möglichkeit der dezentralen Bereitstellung von Energie aus nicht fossilen oder atomaren Brennstoffen und Umgestaltung der Energienetze.

Damit war für die Energiewirtschaft die „Erzeugung“ als eine weitere volatile Variable geboren. Eine Variable die im 21. Jahrhundert für neue Begriffe wie „Prosumer“, „Demand Side Management“ oder das Erfordernis von „Smart-Grid“, „Smart-Meter“, „Smart-Home“ oder „Smart-City“ hervorruft.

Lange bevor die erdölgetriebene Energieerzeugung und Fossile­-Mobilität erfunden war, kannte die Wissenschaft den Zusammenhang zwischen CO2 und Klimawandel (Weart, Discovery of Global Warming, 2008). John Cook, Research Assistant Professor at „Center for Climate Change Communication“ an der Georg Mason University, veröffentlichte auf seiner Webseite (Mason, 2013) eine grafische Aufarbeitung (Abbildung 1-1) der historischen Abläufe entsprechend den Daten von „Discovery of Global Warming“ (Weart, 2017).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 - 1 Climate Science - the complete timeline, created by jg

Die Politik versucht die Bedürfnisse der Verkehrsmobilität und die Notwendigkeit der CO2-Reduktion im Verkehrssektor in Einklang zu bringen. Das öffentliche Verkehrsmittel (U-Bahn, E-Bus, Straßenbahn etc.) und das Fahrrad (E-Bike, E-Roller etc.) werden im urbanen Bereich die Hauptrolle übernehmen. Im Fernverkehr und bei Langstreckenreisen werden das Flugzeug und der Zug an Bedeutung gewinnen. Die Kurzstrecke, Pendelverkehr (bis 80 km) kann durch E-Mobilität gut abgedeckt werden und zu einer signifikanten CO2-Reduzierung im Verkehrssektor beitragen. Fördersysteme und steuerliche Begünstigungen sollen die Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen vorantreiben. Der Schlüssel zum Erfolg liegt bei der Möglichkeit, während dem Stillstand (Parkzeit) eine Lade-Infrastruktur nutzen zu können.

Lade-Infrastruktur ist derzeit sehr punktuell und für Anwender nicht barrierefrei verwendbar. Nur eine Erhöhung der Infrastrukturpunkte stellt jedoch nicht die Lösung dar, da einerseits das Parken und Laden nur auf die Ladezeit beschränkt ist, oder aber es wird die Zeit abgerechnet, in der das Fahrzeug mit dem Ladepunkt verbunden ist.

Eine Verbesserung der Nutzungsmöglichkeit und des Komforts ist für den Konsumenten dringend erforderlich.

1.1 Problemstellung

Die wesentliche Herausforderung bei der Umstellung auf E-Mobilität stellt die Ladeinfrastruktur dar. Schnellladepunkte, wie sie derzeit gefördert werden, können die Bedürfnisse der Nutzer nicht erfüllen. Die Idee einer für den E-Mobilisten bedarfsgerechten Infrastruktur in einem zonierten Parkhaus soll untersucht werden.

Des Weiteren wird geprüft, welche Leistung und Energie durch die Konzentration der Ladeinfrastruktur abgerufen werden kann.

Die Wirtschaftlichkeit soll analysiert werden. Das Konzept für die Grundlagen eines softwaretechnischen Modells mit den notwenigen Komponenten soll erstellt werden.

Synergetische Betrachtung der beiden Themen E-Mobility Infrastruktur und Nutzung von „überschüssigem“ Strom aus volatiler erneuerbarer Erzeugung.

1.2 Zielsetzung und Arbeitsabgrenzung

Ziel der Arbeit ist, durch einen holistischen Ansatz Synergien zwischen den einzelnen Akteuren zu heben und die Potenziale für eine Realisierung zu bestimmen. Die hier betrachteten Akteure sind:

- der E-Mobilist, der eine Ladeinfrastruktur inklusive zeitlich unbegrenzter Parkfläche benötigt.
- die Park & Ride Anlage (P+R) mit:
- technischer Infrastruktur, Anbindung an den öffentlichen Verkehr (bevorzugt U-Bahn).
- materieller Infrastruktur, Einkaufsmöglichkeiten und Restaurants (Shopping-Center).
- soziale Infrastruktur, Kindergarten, Schule, Ärztezentrum.
- der Ladesäulenbetreiber, kann auch ein Stromhändler oder Netzbetreiber sein.
- der Netzdienstleister, kann auch ein Stromhändler oder Netzbetreiber sein.

In dieser Masterthesis wird nicht auf eine detaillierte Anlagenplanung, die Dimensionierung und Finanzierung eingegangen. Die E-Fahrzeugmarken und -typen, sowie deren Speicher- und Ladesystem werden nicht im Detail betrachtet. Die Bezeichnung Energiedienstleister berücksichtigt nicht die energierechtlichen Aspekte aus dem ElWOG, bezüglich der Pflichten, Rechte, Funktionen und Aufgaben.

Auf eine wirtschaftliche Betrachtung wird aufgrund der sich in den nächsten Jahren schnell ändernden Bedingungen wie Smartmeter Einführung, Umstellung der Netznutzungsgebühr (Ankündigung E-Control), Änderungen ElWOG, Änderung des gemeinsamen Strommarktes mit Deutschland u. dgl., verzichtet.

2 Aufbau der Arbeit

Durch die Literatur Recherche erhobenen Grundlagen werden in Kapitel 3 dargestellt. Die für die Modellbildung definierten Parameter werden in Kapitel 4 begründet.

Eine Modellier-Ablaufsübersicht aller Akteure stellt Abbildung 2-1 dar. Im Folgenden werden die Parameter und Bedürfnisse der drei Akteursgruppen E-Mobilist, Parkgarage und Energie definiert. Im Anschluss wird durch Korrelation der definierten Parameter ein Geschäftsmodell mit Potenzialabschätzung erstellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 - 1 Ablauf Modellierung

3 Grundlagen

In diesem Kapitel werden die Grundlagen, Rahmenbedingungen aber auch die Hintergründe und Bedürfnisse der einzelnen Akteure beschrieben. Die Darstellung gibt einen Überblick über Bedürfnisse, Möglichkeiten, Aktivitäten und gewählte Definitionen.

3.1 CO2 – Emissionen

Bei der UN-Klimakonferenz (COP21/CMP11) in Paris vom 30. November bis 11. Dezember 2015 bekannten sich insgesamt 196 Vertragsparteien - 195 Staaten und die Europäische Union - dazu, gemeinsam für den Klimaschutz zu arbeiten. Erstmals stimmten fast alle Staaten der Welt (ausgenommen Syrien und Nicaragua) einem Vertrag zu, in dem sie sich zu nachhaltigen Anstrengungen im Kampf gegen den Klimawandel verpflichten (Abteilung I/4, 2015).

Es wurde festgelegt, die Erwärmung solle auf "deutlich unter zwei Grad" begrenzt werden. Zusätzlich soll versucht werden, unter der 1,5-Grad-Grenze zu bleiben, wodurch sich Klimafolgen und -schäden deutlich verringern ließen. Das Pariser Abkommen wird neben der Minderung von Treibhausgasemissionen auch Anpassung an den Klimawandel, finanzielle Unterstützung von Entwicklungsländern, Technologie, Kapazitätsaufbau sowie Transparenz über Klimaschutzmaßnahmen und Unterstützungsleistungen umfassen.

3.1.1 Gesetzliche Rahmenbedingung

Mit dem Energieeffizienzgesetz wird am 11. August 2014 die Richtlinie 2012/27/EU zur Energieeffizienz in Österreich umgesetzt. Damit wird die Möglichkeit geschaffen, den unionsrechtlich vorgegebenen Zieltrias, dem sogenannten „20-20-20 Ziel“,

- eine Reduktion der Treibhausgasemissionen im Umfang von 20 Prozent
- einen Ausbau der erneuerbaren Energien auf 20 Prozent
- eine Verbesserung der Energieeffizienz im Umfang von 20 Prozent

zu erreichen (BMWFW, 2015).

Um das Ziel zu erreichen werden drei Bereiche verpflichtet:

1. Energielieferanten
Hier hat der Energielieferant Effizienzsteigerungen beim Kunden zu initiieren im Sinne des Wohnraumes oder des privaten Mobilitätsbereiches. Die Anrechenbarkeit wird von einer eigens eingerichteten Monitoringstelle beurteilt. Eine Abschätzung der zu erwartenden CO2-Einsparungen konnte nicht recherchiert werden.

2. Große Unternehmen
Sind verpflichtet ein Managementsystem inklusive Energieaudit einzuführen. Alternativ kann auch alle 4 Jahre ein Energieaudit (EA) durchgeführt werden. Werden die Erkenntnisse und Empfehlungen aus dem EA oder Management System umgesetzt, hat dies immer eine positive Auswirkung auf ihre Erlösstruktur. Das Energieaudit betrachtet die Bereiche Gebäude, Transport und Prozesse.

3. Der Bund und die Bundesimmobiliengesellschaft
Der Bund hat 3 Prozent der Gebäudeflächen zu sanieren, die in sein Eigentum fallen und auch von ihm genutzt werden. Alternativ zur thermischen Gebäudesanierung können auch andere Maßnahmen getroffen werden, wie zum Beispiel Energieeinsparcontracting. Für die Bundesimmobiliengesellschaft, die ebenfalls unter diese Verpflichtung fällt, wird ein Energieeffizienzziel (Einsparziel) von 125 GWh vorgegeben.

Die Monitoringstelle erfasst die errechneten Werte der drei verpflichteten Bereiche und stellt die Daten dem BMWFW für die Auswertung zur Verfügung. Wie weit die gemeldeten (errechneten Werte) vom realen Verbrauch abweichen ist nicht dokumentiert, da die realen Verbrauchswerte nicht bekannt sind.

3.1.2 Erdöl und -produkte

Die Verteilung des österreichischen Fahrzeugbestandes (Tabelle 3.1) nach Kraftstoffarten zeigt, dass 99,7% der Fahrzeuge Diesel oder Benzin verwenden. Unter sonstige PKW’s fallen Fahrzeuge die mit Gas, bivalentem Betrieb und kombiniertem Betrieb (hybrid) betrieben werden.

Tabelle 3.1 PKW, LKW und Zweiräder - Bestand 2013 (Statistik Austria, 2014)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Laut „Energiestatus Österreich 2015“ (BMWFW, 2015) wird im Jahr 2013 in Österreich ein energetischer Endverbrauch von 9,84 Mio. t Mineralölprodukte ausgewiesen. Es wurden 1,59 Mio. t Ottokraftstoffe, 6 Mio.t Dieselkraftstoffe, 1,23 Mio. t Heizöl Extraleicht für den Endverbrauch erzeugt, der Rest sind Raffinerie-Restgas, Gasöl für Heizzwecke und sonstige Produkte der Erdölverarbeitung.

Im Diagramm 3.1 (Eigendarstellung mit Daten aus (BMWFW, 2015)) wird der energetische Endverbrauch von Mineralölprodukten den Sektoren zugeordnet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Diagramm 3 . 1 Energetischer Endverbrauch von Mineralölprodukten

Für den energetischen Endverbrauch von Erdgas (Eigendarstellung mit Daten aus (BMWFW, 2015)) fallen 5,9% (Diagramm 3.2) auf den Verkehr.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Diagramm 3 . 2 Energetischer Endverbrauch von Erdgas

Für den Sektor Verkehr ergeben sich aus dem energetischen Endverbrauch von Erdölprodukten und Erdgas Treibhausgas-Emissionen in der Höhe von 22 Mio. t CO2­-Äquivalenten (Tabelle 3.1 bzw. Diagramm 3.3). Die Steigerung der Emissionen von 1990 bis 2013 beträgt 8,52 Mio. t CO2-Äquivalente bzw. rund 63%.

Tabelle 3.2 Treibhausgas-Emissionen aus dem Straßenverkehr nach Fahrzeugkategorien (in 1.000 t CO2-Äquivalent) (in Anlehnung an (UBA, 2015))

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Diagramm 3 . 3 Treibhausgas-Emissionen nach Tabelle 3.2 für 2013

Die Deutlichkeit des Handlungsbedarfs im Sektor Verkehr wird in Diagramm 3.4 dargestellt. Im Bereich PKW-Benzin gab es Emissionsreduktionen, die sich durch den Rückgang von 20% der Fahrzeuge und emissionsärmere Motoren begründen lassen (Statistik Austria, 2014).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Diagramm 3 . 4 Steigerung der CO2-Äquivalente im Sektor Verkehr nach Tabelle 3.2

3.2 E-Mobilität

Unter E-Mobilität fallen alle Fahrzeuge die mit einem Elektromotor betrieben werden wie zum Beispiel Elektroroller, Elektroauto aber auch U-Bahn, Eisenbahn, O-Bus oder Straßenbahn (Abbildung 3-1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 - 1 Eigene Darstellung ergänzt mit Daten (Pfaffenbichler, 2009)

Im heutigen Sprachgebrauch reduziert sich der Begriff auf ein batterieelektrisches Fahrzeug (BEV) bzw. batteriebetriebene Elektrofahrzeuge, die eine Ladeinfrastruktur benötigen um die mitgeführten, wieder aufladbaren Batterien zu laden. In Abbildung 3-1 sind die Fahrzeugtypen folgendermaßen eingefärbt:

- Orange keine Relevanz für die Masterthesis, nicht nutzbar
- Orange – Grün bedingte Nutzbarkeit
- Grün Fahrzeugtypen die in der Masterthesis betrachtet werden.

3.2.1 Fahrzeugtechnik - Relevante Fahrzeugtypen

Im Kontext der Arbeit werden die unterschiedlichen Fahrzeugtypen (Cao, 2011) und deren technischen Lösungen auf drei erforderliche Hauptkriterien reduziert:

- Plug in Fähigkeit (Ladestecker => laden)
- Elektrischer Speicher (Batterie => speichern)
- Elektrischer Antriebsstrang (E-Motor => fahren)

Alle Fahrzeuge, die diesen Kriterien entsprechen sind relevant und werden hier in weiterer Folge als E-Mobil bezeichnet.

3.2.1.1 Funktionen E-Mobil

In Abbildung 3-2 sind die drei wesentlichen Komponenten eines E-Mobils dargestellt. Über den Ladestecker (3.2.1.2) wird das Fahrzeug an das Stromnetz angeschlossen. Der AC-DC Wandler (Spannungswandler) und eine Ladeelektronik (beides nicht dargestellt) versorgen die Batterien bis zum gewünschten Ladezustand (in der Regel 100%) mit Strom. Im Fahrbetrieb versorgen die Batterien (3.2.1.3) über eine Steuerelektronik (nicht dargestellt) den Elektromotor (3.2.1.4) mit Strom. Sind die Batterien leer (entladen) ist ein laden über den Ladestecker erforderlich, ein tiefentladen wird durch die Ladeelektronik verhindert.

Zusätzliche Komponenten, die bei PHEV (Plug in Hybrid Electric Vehicle), REEV (Range Extended Electric Vehicles), EREV (Extended Range Electric Vehicles) oder anderen Plug in Fahrzeugtypen verbaut sind, haben hier keine Bedeutung. Unter zusätzliche Komponenten fallen zum Beispiel ein zweiter Antriebsstrang mit einem Verbrennungsmotor oder Verbrennungsmotor plus Generator um Fahrstrom zu erzeugen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 - 2 Classic Mini mit E-Mobil Kriterien

3.2.1.2 Ladestecker Fahrzeug

Der entscheidende Punkt um den Speicher, die Batterie laden zu können, ist das Zusammenpassen des Verbindungskabels mit dem im Fahrzeug verbauten Ladestecker und dem Stecker in der zur Verfügung stehenden Ladesäule.

Standard Ladestecker in E-Mobilen:

Grundsätzlich gibt es zwei unterschiedliche Ladestecker, die von E-Mobilherstellern als Grundausstattung verwendet werden.

- Ladestecker (Abbildung 3-3 Opel Ampera) Typ 1 („Type 1“) nach IEC 62196-2 entspricht dem SAE J1772-2009 Ladestecker Design Yazaki.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 - 3 Ladestecker Typ 1 verbaut im Opel Ampera; Nissan Leaf; Mitsubishi Outlander, Kia Soul EV, etc.

Nach IEC 61851-1 kann über diesen Ladestecker einphasig nach IEC 62196-1 definierten Lademodi mit Mode 1 und Mode 2 geladen werden.

- Ladestecker (Abbildung 3-4) für Stecker Typ 2 („Type 2“) nach EN 62196-2 Design Mennekes.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 - 4 Ladestecker Typ 2 verbaut im Renault Zoe / Kangoo Z.E. (2016) / Fluence Z.E. (2016), Hyundai Ioniq Hybrid, Tesla Model S, etc.

Nach IEC 61851-1 kann über diesen Ladestecker einphasig oder mehrphasig nach IEC 62196-1 definierten Lademodi mit Mode 1, Mode 2 und Mode 3 geladen werden. Damit sind Ströme von einphasigen 16 A bis dreiphasigen 63 A (entsprechend 3,7 kW bis 43,5 kW) möglich.

1. Ausnahme: Tesla verwendet an den von Tesla Motors gebauten Supercharger den Typ 2 Stecker für Gleichstrom-Schnellladung bis 120 kW.

2. Ausnahme: Bei der Kleinserie Mercedes Vito E-Cell (2010) wurde im Fahrzeug eine Typ 2 Buchse (wie in der Ladesäule) verbaut, dadurch sind für die Verbindung zur Ladesäule Mercedes-Kabel erforderlich.

Schnellladestecker in E-Mobilen:

Beim Schnellladen wird nicht die im Fahrzeug verbaute Ladeelektronik benutzt, sondern eine Ladeelektronik in der Ladesäule, die einen Gleichstrom zur Verfügung stellt. Die Stecker Typ1 und Typ2 haben zwei dafür vorgesehene Kontakte bereits integriert und werden für Mode 2 und Mode 3 laden genutzt.

- Um die Ladedauer weiter zu verringern, wurde der Stecker Typ 2 zu Combo 2 (Combined Charging System CCS) erweitert (Abbildung 3-5) und in der Norm nach IEC 62196-3 definiert. Diese Kombination lässt Standardladen mit Typ 2 zu, über die beiden zusätzlichen Kontakte ist Schnellladen mit Gleichstrom bis zu 200 A Mode 4 möglich. Über die Signalkontakte wird die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladesäule zum Abstimmen des richtigen Lademodus durchgeführt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 - 5 Ladestecker Combo 2, verbaut im BMW i3, Hyundai Ioniq Electric

- Der CHAdeMO Ladestecker (Abbildung 3-6) mit CHAdeMO-Spezifikation (CHArge de Move), erlaubt Gleichstrom-Schnellladung mit bis zu 500 Volt DC und 125 Ampere (in Europa). In Japan werden auch die geometrisch nicht kompatiblen CHAdeMO Stecker für 500 Volt DC und 50 Ampere bzw. 500 Volt DC und 200 Ampere in Ladesäulen verwendet. Das CHAdeMO-Protokoll im Rahmen der ISO-Normung als Gleichstromladestandard ist in der ISO/IEC 61851-23 und ISO/IEC 61851-24 aufgenommen. Dadurch ist es möglich, dass an Ladesäulen sowohl CHAdeMO als auch CCS verfügbar ist.

Die Firma Tesla bietet bereits einen Adapter für CHAdeMO auf Tesla Typ 2 an.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 - 6 Ladestecker CHAdeMO im Citroen C-Zero, Kia Soul EV, BMW i3 (Japan), Nissan Leaf und e-NV200, etc.

3.2.1.3 Speicher Batterie (Akku)

Der Begriff Batterie ist eine militärische Bezeichnung aus dem französischen und beschreibt eine Reihe gefechtsbereiter Kanonen. In der Elektrotechnik wird der Begriff Batterie für in Reihe (seriell oder parallel) geschaltete galvanische Zellen verwendet.

Zu Beginn der Entwicklung standen nur nicht wiederaufladbare „Primärelemente“ zur Verfügung. Kennzeichnend für die „Primärelemente“ Primärzelle ist, dass nach Zusammenfügen der Bauteile die Zelle aufgeladen ist und der elektrochemische Prozess einmalig abläuft, die Zelle einmalig entladen werden kann. Die Entladung ist unumkehrbar – die Primärzelle kann elektrisch nicht mehr aufgeladen werden. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird diese Primärzelle Batterie genannt.

Durch die Erfindung des Akkumulators, einer einzelnen wiederaufladbaren Sekundärzelle war es möglich, den elektrochemischen Prozess nach dem Entladen umzukehren. Werden mehrere Sekundärzellen aneinandergereiht, so ergibt es eine „Batterie Akkumulatoren“ (eine Reihe wiederaufladbarer Sekundärzellen). Im englischen wird die Bezeichnung „rechargeable battery“ verwendet.

Umgangssprachlich wird der Begriff Batterie für alle beschriebenen Arten gleichermaßen benutzt. In dieser Arbeit wird der Begriff Batterie ausschließlich für wiederaufladbare Sekundärzellen verwendet.

In der Fahrzeugtechnik werden derzeit Lithium Ionen Akkumulatoren (Oberbegriff für verschiedene Lithium-Akkumulatortypen) eingesetzt (Lucien F. Trueb, 2013).

Kenngrößen:

- Energiedichte: eine wichtige Batterie-Kenngröße für E-Mobil Hersteller ist die Energiedichte in Wattstunden pro Kilogramm [Wh/kg], für diese Arbeit nicht relevant.
- Batterie-Kapazität: Aus den Werbe- und Datenblättern der Fahrzeughersteller geht oftmals nicht eindeutig hervor, ob die Batterie-Kapazität [Ah] oder die gespeicherte Energie in Kilowattstunden gemeint ist. Die neueste Variante beschreibt die Batteriegröße mittels einer Reichweite. Einige Beispiele von Herstellerangaben:
- Hyundai Ioniq Electric: Lithium-Ionen-Polymer-Batterien maximale Kapazität 28 kWh (Hyundai, 2017)
- BMW i3: Lithium-Ionen-Akku 60 Ah bzw. 94 Ah (BMW, 2016)
- Renault Zoe: gibt als Batteriekenngröße die Reichweiten an (Renault, 2017)
- Tesla Model S: gibt als Batteriekenngröße die Reichweiten an (Tesla, 2017)
- Nissan Leaf Datenblatt: Batteriekapazität 24 kWh bzw. 30 kWh (Nissan, 2015)
- Opel Ampera: 16 kWh starke Lithium-Ionen-Akku (Opel AG, 2014)

Elektrotechnisch ist Energie das Produkt von Kapazität und Spannung nach Formel (3.1)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

E…Energie [Wh]
C…Kapazität [Ah]
U…Spannung [V]

- Energieinhalt: ist die in der Batterie gespeicherte Energie nach Formel (3.1). Stellt eine Größe dar, um die Reichweite oder den Verbrauch pro 100 km zu berechnen, um Fahrzeuge miteinander vergleichen zu können bzw. Ladezeiten oder Ladeleistungen zu berechnen.
Der Energieinhalt stellt keine eindeutige Größe dar, eine Unterscheidung zwischen dem theoretischen Energieinhalt, technisch entnehmbaren Energieinhalt oder dem nutzbaren Energieinhalt (Energietechnik, 1989) ist erforderlich. Angaben und Informationen von Herstellern fehlen.

Beispiel: Opel Ampera (eigenes Fahrzeug)
laut Datenblatt: 16 kWh starke Batterie (Opel AG, 2014)
Annahme: das ist der theoretische Energieinhalt
laut Bordcomputer: können 10 kWh entnommen werden (eigene Erfahrung)
Annahme: das ist der nutzbare Energieinhalt (Fahrzeughersteller willkürlich festgelegt)
Der technisch entnehmbare Energieinhalt ist nicht bekannt.

- Ladewirkungsgrad: ist das Verhältnis der entnehmbaren zu der beim Laden aufzuwendenden Energie (3.2). Der innere Widerstand der Zellen bewirkt beim Aufladen und Entladen eine Erwärmung, wodurch ein Teil der zum Aufladen aufgewandten Energie verloren geht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Beispiel: Opel Ampera (eigenes Fahrzeug)
Laut Bordcomputer (Abbildung 3-7) wurden 8,1 kWh verbraucht

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 - 7 Bordcomputer Opel Ampera

Laut Stromzählerdifferenz (Abbildung 3-8) wurden 9,9 kWh zum Laden aufgewendet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 - 8 Stand Stromzähler vor und nach dem Laden des Opel Ampera (Außentemperatur 6°C)

Nach Formel (3.2) ergibt sich ein Wirkungsgrad h (3.3) von 81% (19% Ladeverluste).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die hier ermittelten Ladeverluste von 19% beziehen sich auf das gesamte Ladesystem und nicht nur auf die Batterieladeverluste. Da der Opel Ampera seine Zellen klimatisiert, werden zusätzliche Verbraucher (heizen / kühlen) verwendet, daher wird umgebungstemperaturabhängig mehr Energie benötigt.

- Ladezustand, State of Charge (SoC): gibt an, zu wieviel % die Batterie geladen ist. 100% entspricht dabei einer vollgeladenen Batterie. Eine Bestimmung des Ladezustandes ohne aktuelle Lade- und Entladekurven ist nicht möglich. Ladeelektronik, Bordcomputer, Tiefentladeschutz und Batteriemanagementsystem stellen sicher, dass die Batterie optimal betrieben wird. Der Bordcomputer sammelt die alterungsabhängigen Informationen der Batterie und das Fahrverhalten und berechnet darüber die zu erzielenden Reichweiten.

3.2.1.4 Verbrauch, plausibilisiert und verifiziert

Um die nötigen Energiemengen abschätzen zu können, ist es erforderlich den Energieverbrauch zu kennen. Da die Herstellerangaben nicht den realen Verbräuchen entsprechen, wurden einige Fahrzeugmodelle durch Verbrauchsberechnung, Testfahrt und Herstellerangaben verifiziert und plausibilisiert.

- Verbrauchsberechnung (vereinfacht)

Als Grundlage für die nachfolgende Berechnung diente „Die Aerodynamik des Automobils“ (Hucho, 2015). Es wird die Energie berechnet, die ein Fahrzeug auf ebener Strecke für s=100 Kilometer bei einer Geschwindigkeit von v1=100 km/h (v2=50 km/h) zur Überwindung des Luft- und Rollwiderstandes benötigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für die Ermittlung der Projektionsfläche A (Stirnfläche) wurden mittels AutoCAD die kodierte geometrische Darstellung des Herstellers in AutoCAD (Autodesk, 2017) importiert und mit einer geschlossenen roten Polylinie umgrenzt (Abbildung 3-9). Mit dem Befehl „Liste“ gibt AutoCAD die umschlossene Fläche zurück, die für die Berechnungen herangezogen wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 - 9 Stirnflächenermittlung mit AutoCAD 2017 für Ioniq und Zoe

Nach Formel (3.4) ergibt sich für den Renault Zoe bei 25°C und v1 = 100 km/h eine Luftwiderstandskraft von 315 N (3.5). Die Berechnungsergebnisse sind in Tabelle 4.1 aufgelistet.

Ende der Leseprobe aus 95 Seiten

Details

Titel
E-Mobilität und E-Parkhäuser als Zukunftslösung. Wie kann eine Infrastruktur für mehr erneuerbare Energien auf den Straßen geschaffen werden?
Hochschule
Fachhochschule Burgenland
Autor
Jahr
2017
Seiten
95
Katalognummer
V378959
ISBN (eBook)
9783668628397
ISBN (Buch)
9783960951742
Dateigröße
6008 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
E-Mobilität, Infrastruktur, Elektroautos, Energiewirtschaft, Parkhäuser, Umwelt, erneuerbare Energien
Arbeit zitieren
Ing. Dipl.-Ing. Wolfgang Huber (Autor), 2017, E-Mobilität und E-Parkhäuser als Zukunftslösung. Wie kann eine Infrastruktur für mehr erneuerbare Energien auf den Straßen geschaffen werden?, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/378959

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