Mithilfe intelligenter Ladesteuerung kann ein teurer Netzausbau vermieden und Elektromobilität wettbewerbsfähig gemacht werden.Wie das in der Praxis funktonieren kann, hat das Forschungsprojekt ePlanB in der Stadt Buchloe gezeigt.
Dieser Beitrag ist zuerst in eMobilJournal 02/2018 erschienen
In dem auf drei Jahre angelegten Forschungsprojekt ePlanB wurde eine intelligente Ladesteuerung für Elektroautos entwickelt, mit der geparkte Elektrofahrzeuge umwelt- und netzoptimiert geladen werden können. Durch diese intelligente Ladesteuerung wurde eine bessere Nutzung dezentral erzeugter erneuerbarer Energien erzielt. Damit werden Aspekte der Energiewende im Stromsektor auf den Verkehrssektor übertragen.
1.1. Ladeinfrastruktur als wichtiger Meilenstein für den Erfolg der Elektromobilität
Die Elektromobilität in Deutschland steht vor dem Durchbruch. Elektroautos sind leise, lokal emissionsfrei und helfen, die Schadstoffbelastung in den Städten zu reduzieren. Matthias Wissmann, früherer Präsident des Verbands der Automobilindustrie e. V. (VDA) rechnet damit, dass im Jahr 2025 15 – 25 % der Pkw-Neuzulassungen einen Elektroantrieb haben werden.
Der Absatz von Elektrofahrzeugen habe sich 2017 gegenüber dem Vorjahr mehr als verdoppelt. Und auch das Angebot nehme stetig zu: Bis zum Jahr 2020 könnten Kunden allein aus über 100 E-Modellen der deutschen Automobilhersteller auswählen, so der frühere VDA-Präsident. Für alternative Antriebe investiere die deutsche Automobilindustrie bis zum Jahr 2020 insgesamt 40 Milliarden Euro.Doch nur, wenn die Ladeinfrastruktur rasch ausgebaut werde, die Politik kluge steuerliche Rahmenbedingungen schaffe, die Batterien höhere Reichweiten erlaubten und der Preis stimme, könne Elektromobilität langfristig überzeugen.
Um den Ausbau der Ladesäuleninfrastruktur in Deutschland zu beschleunigen, gilt es demnach, weiterhin Wege zu finden, ihn für Investoren attraktiver zu gestalten. Dies kann vor allem durch eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit erreicht werden, respektive durch weitere Senkung der Installations- und Betriebskosten.
Einen Beitrag dazu hat die Lechwerke AG (LEW) gemeinsam mit der Forschungsstelle für Energiewirtschaft (FfE), der LEW Verteilnetz GmbH (LVN), der Stadt Buchloe und dem Landkreis Ostallgäu mit dem im vergangenen Jahr abgeschlossenen Projekt ePlanB geleistet (siehe Bild 1). Im Mittelpunkt standen dabei die Entwicklung und der Test eines intelligenten Lademanagements für Elektroautos.
Bild 1: Start für ePlanB: Norbert Schürmann, LEW-Vorstandsmitglied, Josef Schweinberger, Erster Bürgermeister der Stadt Buchloe, Maria Rita Zinnecker, Landrätin des Landkreises Ostallgäu, Franz Josef Pschierer, Staatssekretär im Bayerischen Wirtschaftsministerium, und Prof. Dr. Wolfgang Mauch, Geschäftsführer der Forschungsstelle für Energiewirtschaft (FfE), stellten das Forschungsprojekt 2014 in Buchloe vor. (Quelle: LEW/Christina Bleier)
2.2. Projektbeschreibung und Zielsetzung
Unter dem Projekttitel ePlanB wurde über eine Projektlaufzeit von drei Jahren eine intelligente Steuerung zur Ladung von Elektrofahrzeugen (Lademanagement) entwickelt und am Park&Ride-Platz am Bahnhof der Stadt Buchloe erprobt.
Ziel des dreijährigen, vom Bayerischen Wirtschaftsministerium geförderten Projekts war es, Elektrofahrzeuge von Pendlern optimiert zu laden. Optimiert heißt in diesem Zusammenhang, dass unter Wahrung der Nutzerbedürfnisse die Ladevorgänge in Zeit und Leistung beeinflusst werden, um regenerativen, vor Ort erzeugten Strom bestmöglich zu nutzen, die Netzauslastung zu berücksichtigen oder von günstigen Börsenstrompreisen zu profitieren.
Bei der Umsetzung des intelligenten Lademanagementsystems wurde auf offene, herstellerübergreifende Standards gesetzt, was dieses Projekt von vielen anderen unterscheidet. Die Entwicklung eines intelligenten Lademanagementsystems kann zur Reduktion der Gleichzeitigkeit der Ladevorgänge und damit zur Reduktion der Leistungsspitze beitragen. Der Aufbau von Ladeinfrastruktur kann dadurch kostengünstiger erfolgen, weil eine geringere Anschlussleistung benötigt wird. Zudem können lokal erzeugte erneuerbare Energiequellen gezielt genutzt werden.
Elektrofahrzeuge werden derzeit ungesteuert geladen, das heißt sobald das Fahrzeug an einer Ladestation angeschlossen und authentifiziert wurde, setzt die Ladung mit der maximal möglichen Leistung ein und wird beendet, wenn die Batterie voll ist. Dies führt dazu, dass die Ladeinfrastruktur so ausgelegt werden muss, dass die Maximalkapazität an Leistung lokal wie auch netzseitig zur Verfügung gestellt werden kann. Die Nachteile dabei: hohe Kosten für den Netzausbau und netzseitig ungünstige Ladezeiten.
Erfolgt die Ladung der Elektrofahrzeuge mittels eines intelligenten Lademanagementsystems, das Faktoren wie Netzanbindung, Netzzustand sowie die Erzeugung lokaler erneuerbarer Energien berücksichtigt, können die Anschluss- und Betriebskosten deutlich verringert werden. Die Einbindung externer Preissignale, beispielsweise ausgehend von der Strombörse EEX, führt zudem zu einem kostenoptimierten Ladevorgang, da vorrangig, unter Berücksichtigung des Ladewunsches des Kunden, zu Niedrigpreiszeiten geladen werden soll. Häufig korrelieren diese Zeiten mit den Zeiten hoher Einspeisung regenerativer Energien. Jedoch sollte ein Lademanagementsystem auch daraufhin optimiert werden, dass ein möglichst hoher Anteil lokal erzeugten Stromes geladen werden kann.
Ein weiteres Ziel des Projekts ePlanB war es, Pendler stärker für das Thema Elektromobilität zu sensibilisieren.
3.3. Projektpartner
Das Projekt ePlanB wurde von der Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. (FfE), der Lechwerke AG (LEW), der LEW Verteilnetz GmbH (LVN), der Stadt Buchloe und dem Landkreis Ostallgäu durchgeführt und vom Bayrischen Ministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie gefördert.
Die LEW-Gruppe ist als regionaler Energieversorger in Bayern und Teilen Baden-Württembergs tätig und beschäftigt rund 1.800 Mitarbeiter. LEW versorgt Privat-, Gewerbe- und Geschäftskunden sowie Kommunen mit Strom und Gas und bietet ein breites Angebot an Energielösungen. Die LEW-Gruppe betreibt das Stromverteilnetz in der Region und ist mit 36 Wasserkraftwerken einer der führenden Erzeuger von umweltfreundlicher Energie aus Wasserkraft in Bayern. Außerdem bietet LEW Dienstleistungen in den Bereichen Netz- und Anlagenbau, Energieerzeugung und Telekommunikation an. Die Lechwerke AG (LEW) gehört zu innogy SE, einem führenden deutschen Energieunternehmen.
Die Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V. (FfE) ist ein bundesweit anerkanntes Forschungsinstitut mit einer über 65-jährigen Tradition. Ein interdisziplinäres Team aus jungen Mitarbeitern beschäftigt sich mit aktuellen Fragestellungen der Energietechnik und -wirtschaft. Zudem gehört das Themenfeld Elektromobilität mit all seinen Facetten, von der Potenzialbestimmung bis hin zu messtechnischen Untersuchungen der wesentlichen Komponenten, zu den Arbeitsschwerpunkten der FfE.
Der Landkreis Ostallgäu liegt mit rund 137.000 Einwohnern und einer Fläche von ca. 1.400 km² im Südosten von Bayerisch-Schwaben. Das Ziel aus dem Jahr 2008, sich langfristig zu 100 % (50 % bis 2020) aus erneuerbarem Storm und Wärme zu versorgen, wurde dort 2016 schon zu 42 % erreicht. Im Verkehrssektor setzt der Flächenlandkreis neben innovativen ÖPNV-Angeboten auch auf Elektromobilität – in der Forschung, im Fuhrpark und in der Fläche.
Buchloe ist eine dynamisch wachsende, familienfreundliche Stadt im Norden des Landkreises Ostallgäu. Es sind alle wichtigen Einrichtungen von Kindertagesstätten bis zum Gymnasium und vom Krankenhaus bis zum Senioren- und Pflegeheim vorhanden. Buchloe liegt verkehrsgünstig auf der Autobahn A96 sowie der Bundesstraße B12 und ist zudem Eisenbahnknotenpunkt. Für den Pendler- und Gewerbestandort Buchloe kann die Elektromobilität einen erheblichen Beitrag zur Entlastung der Umwelt und zum Schutz der Bevölkerung leisten.
4.4. Projektdurchführung
Das Projekt ePlanB startete am 01.07.2014 und endete nach einer Laufzeit von 36 Monaten am 30.06.2017. Die Umsetzung des Projektes erfolgte in mehreren Arbeitspaketen gemäß der Projektplanung und umfasste folgende maßgebliche Arbeitsschritte:
- ProjektvorbereitungVoranalyse der Pendler an der P&R-Anlage
- Netzdatenermittlung
- Auswertung und Voranalyse
- Ermittlung des Stands der Technik und Ableitung eines Anforderungskatalogs (Lastenhefterstellung)
- PrototypentwicklungSystemanforderungsanalyse
- Systemarchitektur
- Systementwurf
- Softwarearchitektur
- Softwareentwurf
- Tests
- Beschaffung und InstallationAuswahl und Beschaffung der Elektrofahrzeuge
- Aufbau und Installation der Ladeinfrastruktur vor Ort
- Logistische und organisatorische Abstimmung zum Aufbau der Ladeinfrastruktur
- Start der ungesteuerten Referenzphase mit Probanden
- Entwicklung und Implementierung der Ladesteuerung
- Feldtestphase und Erprobung der Ladesteuerung mit Probanden
- Auswertung und Dokumentation der Ergebnisse
Im Mittelpunkt des Forschungsprojekts stand die Durchführung eines zweijährigen Feldtests. Dafür wurden 14 Elektrofahrzeuge verschiedener Hersteller an insgesamt 56 Teilnehmer verliehen. Diese pendelten damit für jeweils sechs Monate zum Park&Ride-Platz am Bahnhof der Stadt Buchloe im Landkreis Ostallgäu. Für das Projekt wurden dort acht Ladesäulen mit je zwei Ladepunkten errichtet (siehe Bild 2, Bild 3 und Bild 4). Rund um die Anlage gibt es zahlreiche Photovoltaik-Anlagen, die ihren Strom in das regionale Verteilnetz einspeisen. Eine typische Standortkonstellation, die es erlaubt, die Erkenntnisse aus dem Projekt auf andere Kommunen und Standorte zu übertragen (siehe Bild 5).
Geeignete Teilnehmer wurden auf Basis einer Befragung und anschließender Fahrprofilauswertung ermittelt. Entscheidende Kriterien waren vor allem die Pendelhäufigkeit und eine möglichst hohe Pendeldistanz, um die zu ladende Energiemenge zu erhöhen. Mithilfe einer GPS-Logger-Analyse wurde das Mobilitätsverhalten von geeigneten Interessenten über mehrere Wochen hinweg erfasst.
Die Projektpartner realisierten gemeinsam mit den Pendlern mehrere Feldtestphasen, in denen die Elektroautos zunächst ungesteuert und anschließend gesteuert an LEW-Stromtankstellen geladen wurden (siehe Bild 6 und Bild 7). Die vier Feldtestphasen hatten jeweils unterschiedliche Forschungsschwerpunkte. Zu Beginn wurden die Elektroautos ungesteuert geladen, das heißt der Ladevorgang startete, sobald die Teilnehmer das Auto an die Ladesäule angeschlossen hatten. Beim gesteuerten Laden, das mit der zweiten Feldtestphase startete, gaben die Pendler über ein Online-Portal oder ein zentrales Eingabeterminal bei der Ankunft am Parkplatz Daten zum Ladezustand der Batterie und dem geplanten Abfahrtszeitpunkt ein.
Die intelligente Ladesteuerung erstellte für jedes Fahrzeug einen Ladeplan, sobald das Fahrzeug an die Ladesäule gesteckt wurde (siehe Bild 8). Dieser errechnete sich aus den Nutzereingaben, sowie einer PV-Erzeugungs- und Strompreisprognose. Die Ladepläne wurden in der Datenbank abgespeichert und an die Ladesäulen übermittelt. Der Ladevorgang ließ sich somit in Zeiten verschieben, in denen heimische Photovoltaik-Anlagen besonders viel Strom erzeugten.
Die Ladesteuerung arbeitet mit einem Optimierungsalgorithmus, der verschiedene Zielgrößen priorisieren kann. Im Projekt wurde die lokale PV-Erzeugung als Hauptoptimierungsgröße definiert. Neben der PV-Erzeugung wurden der EEX-Strompreis sowie die Lastbegrenzung durch den Verteilnetzbetreiber in der Steuerung berücksichtigt (siehe Bild 9). Grundbedingung war, dass die Fahrzeuge zur Abfahrtszeit stets vollgeladen sein müssen. Hierfür wurde im Steueralgorithmus ein Puffer von zwei Stunden vor der geplanten Abfahrtszeit vorgesehen, in dem das Auto spätestens geladen werden muss. Die Steuerung benötigt vom Nutzer lediglich die Informationen über Abfahrtszeit und aktuellen Ladezustand der Batterie.
5.5. Projektergebnisse und -erkenntnisse
Im Rahmen dieses Projekts wurde ein intelligentes Lademanagementsystem auf Basis der IEC61851 Norm entwickelt. Im Feldtest wurden Elektrofahrzeuge von sechs verschiedenen Herstellern verwendet. Um ein skalierbares und herstellerunabhängiges Lademanagementsystem zu gewährleisten, wurde vollständig auf proprietäre oder herstellerspezifische Schnittstellen verzichtet.
Mit dem entwickelten Lademanagementsystem ist es gelungen, Ladevorgänge an allen Fahrzeugtypen zu steuern, auch wenn einige Fahrzeuge nicht das in der Norm vorgesehene Verhalten aufwiesen. Beispielsweise war bei einigen Fahrzeugtypen eine Stromreduktion auf 0 A und damit eine Ladungsunterbrechung nicht möglich, da diese dann in einen Schlafmodus fielen und die Ladung nicht mehr gestartet werden konnte.
Diese Fahrzeuge mussten stattdessen mit einem Mindestladestrom von 6 A geladen werden. Bei einem Fahrzeugtyp wurde die Mindestladeleistung sogar auf 11 kW festgesetzt, da eine Ladeunterbrechung des dreiphasig ladenden Fahrzeuges nicht möglich war (Sleep-Thematik) und bei einem Mindestladestrom von 6 A dreiphasig die Netzrückwirkungen so erheblich waren, dass die Ladevorgänge anderer Fahrzeuge beeinträchtigt wurden. Nach Angaben des Fahrzeugherstellers wurde diese Problematik jedoch in der neuesten Revision des Fahrzeugmodells behoben.
Durch das entwickelte intelligente Lademanagement konnte deutlich mehr regional erzeugter Strom für das Laden genutzt werden. Während beim ungesteuerten Laden teilweise nur 40 % des Ladestroms aus Photovoltaik-Anlagen der Region stammten, waren es mit Lademanagementsystem bis zu 69 %. Wären alle Fahrzeuge steuerbar gewesen, läge dieser Anteil sogar bei über 80 %. Außerdem konnten die Leistungsspitzen im Stromnetz, die durch das zeitgleiche Laden von Elektrofahrzeugen verursacht werden, geglättet und im Mittel um 43 % reduziert werden.
Insgesamt wurden zum Laden der Fahrzeuge mehr als 62.000 Kilowattstunden regenerativ erzeugter Strom genutzt. Dadurch wurden rund 20.000 Liter Benzin eingespart, wodurch der CO2-Ausstoß um rund 50 Tonnen reduziert werden konnte.
Zukünftige Fahrzeuggenerationen werden vermutlich nicht nur die IEC61851 vollständig unterstützen, sondern auch die ISO 15118, welche das Lademanagement deutlich vereinfacht, da benötigte Daten wie Ladezustand oder Abfahrtszeitpunkt direkt zwischen Ladestation und Fahrzeug ausgetauscht werden können. Somit entfällt die aufwendige Verknüpfung dieser Daten und der Nutzer muss diese nicht immer händisch eintragen.
Untersuchungen im Rahmen des Projektes zeigten, dass es für den Einsatz von Lademanagementsystemen zahlreiche Anwendungsfälle gibt, welche teilweise auch kombiniert werden können. Der aktuell wirtschaftlichste Anwendungsfall besteht in der Kombination aus geringeren Netzanschlusskosten und Spitzenlastmanagement. Spitzenlastmanagement ist nur für leistungsgemessene Kunden mit einer jährlichen Abnahmemenge größer 100.000 kWh relevant. Weitere Anwendungsfälle sind Eigenverbrauchsoptimierung, Einsatz als steuerbare Verbrauchseinrichtung oder das Ausnutzen variabler Stromtarife.
Mittels der in Prototypentests, GPS-Logger-Analyse und durch Messung am Parkplatz Buchloe gewonnenen Erkenntnisse konnte auch das Verhalten von Elektrofahrzeugen am Netz detailliert untersucht und bewertet werden. Dabei wurde deutlich, dass insbesondere aufgrund der derzeitigen Divergenz des Ladeverhaltens unterschiedlicher Fahrzeugtypen die Auslegung des Parkplatzanschlusses aufwendig und auch sehr kostenintensiv ist. Durch eine Angleichung der Ladeeigenschaften der Elektrofahrzeuge und insbesondere durch Verzicht auf einphasige Ladung könnte die Netzintegration von Elektrofahrzeugen deutlich effizienter gelingen. Um derartige Anforderungen an das elektrische Verhalten der Fahrzeuge auch durchzusetzen, sollte dieses zukünftig im Rahmen der Zulassung geprüft werden.
Pendler stärker für das Thema Elektromobilität zu sensibilisieren – auch das war ein Ziel des Projekts. Dafür wurden nach jeder Feldtestphase Befragungen durchgeführt. „Die Ergebnisse zeigen, dass alle Projektteilnehmer vom elektrischen Fahren begeistert waren und jederzeit wieder an einem ähnlichen Projekt teilnehmen würden. Für mehr als die Hälfte wäre ein Elektroauto dauerhaft eine denkbare Alternative zum eigenen Fahrzeug. Unsere Erwartungen wurden sogar noch übertroffen, denn zusätzlich zu den Testfahrern konnten mehr als 200 Personen aus dem Umfeld der Projektteilnehmer Erfahrungen mit dem leisen und emissionsfreien Fahren sammeln. ePlanB wirkte also weit über den Kreis der unmittelbaren Teilnehmer hinaus“, freut sich auch LEW-Vorstandsmitglied Norbert Schürmann. „Elektromobilität ist die Technologie, die die Energiewende auf die Straße bringt und wir sind stolz, dass wir die Menschen dafür begeistern konnten."
6.6. Zusammenfassung
Die Projektpartner konnten durch das Forschungsprojekt mit der enthaltenen Prototypenentwicklung demonstrieren, wie Elektromobilität erfolgreich in das Energiesystem integriert werden kann. Eine Produktentwicklung bis hin zur fertigen Produktreife konnte in diesem Projekt jedoch noch nicht abgeschlossen werden, da die aktuelle Ladetechnik der am Markt verfügbaren Fahrzeuge und die sich stetig verändernden technischen Regularien eine nachhaltige Umsetzung verzögern. Diese kann erst erfolgen, wenn die Informationsweitergabe durch die Hersteller auch an externe Dienstleister gewährleistet bzw. die ISO 15118 flächendeckend umgesetzt wird. Generell wurden in diesem Projekt wichtige Erkenntnisse gewonnen, und die Entwicklung eines marktreifen Prototypen in einem möglichen Folgeprojekt maßgeblich unterstützt.
7.7. Ausblick
Ein wie in diesem Projekt entwickeltes Lademanagement ist für eine intelligente Netzintegration der Elektromobilität nötig und wird in Zukunft mit zunehmender Anzahl von Elektrofahrzeugen an Bedeutung gewinnen. Aktuell ist das Lademanagement aufgrund von nicht final standardisierten Schnittstellen bzw. nicht final implementierten Versionen von beispielsweise der ISO 15118 nur begrenzt skalierbar.
Aus diesem Grund ist heute eine Konzentration auf einfache Ladestrategien, beispielsweise Lastmanagement, bei denen keine detaillierten Kenntnisse über die Fahrzeuge nötig sind, sinnvoll. Der minimale Ladestrom wird dabei auf den kleinsten gemeinsamen Nenner aller Fahrzeuge reduziert. Zusätzlich sollten zukünftig alle Fahrzeuge vollständig unterbrechbar und fernwirktechnisch wieder startbar sein, was das Potenzial dieser Ladesteuerung weiter erhöht.
Mit einer vollumfänglichen Implementierung der ISO 15118 sollten sich zusätzlich neue Möglichkeiten eröffnen, da der Datenaustausch erweitert wird und somit komplexere Ladesteuerungen vereinfacht werden. Hierbei besteht weiterer Forschungsbedarf, der das Verhalten der Fahrzeuge und Ladestationen mit vollumfänglicher ISO 15118 untersucht. Sinnvoll wäre beispielsweise ein analog zu diesem Projekt durchgeführter Feldversuch, der Schwachstellen und Limitationen dieser Norm aufdeckt und somit die Entwicklung und Netzintegration voranbringt.
Denkt man an einen vollelektrifizierten Individualverkehr, wird ein Lademanagement unumgänglich sein, um zu hohe Lastspitzen zu vermeiden. Außerdem werden vermutlich zukünftig immer mehr Elektrofahrzeuge mit bidirektionaler Ladetechnik ausgestattet sein, die es ermöglicht, auch Energie in das Netz zurückzuspeisen. Ein beispielhafter Anwendungsfall wäre ein Spitzenlastmanagement an einem Firmenparkplatz, bei dem die Elektrofahrzeuge die Lastspitze, welche durch den Betrieb verursacht wird, reduzieren und deren Batterien zu einem späteren Zeitpunkt mit niedriger Last geladen werden. Ebenso könnte durch bidirektionale Fahrzeuge selbst erzeugter PV-Strom zwischengespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt im Gebäude verbraucht werden. Intelligente Lademanagementsysteme könnten in Zukunft um diese Aspekte erweitert werden und somit eine Vielzahl von neuen Geschäftsmodellen und Anwendungsfällen ermöglichen.
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Autor
Dipl.-Ökonom Eckart Wruck
Leiter Kommunikation und Marketing, Lechwerke AG
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