Verantwortung leben - Zukunft gestalten. Solarladung von Elektrofahrzeugen. Autor: Dr.-Ing. Jürgen Kölch. Whitepaper

Transkript

1 Verantwortung leben - Zukunft gestalten Autor: Dr.-Ing. Jürgen Kölch Whitepaper

2 Die Umweltvorteile eines Elektrofahrzeugs sind immer wieder in der Kritik, sei es mit der fiktiven Aufladung mit CO2-intensivem Braunkohlestrom oder der energie- und rohstoffaufwendigen Herstellung der Batterie. Wird nur mit deutschem Netzstrom geladen, sind die Vorteile gegenüber Benzin- oder Dieselfahrzeugen unter Einbeziehung der Batterieherstellung über den Lebenszyklus eines Fahrzeugs, nur gering. Viel besser sieht es allerdings aus, wenn mit erneuerbarem Strom geladen werden kann. Im Folgenden wird dargelegt, wie Solarstrom immer günstiger geworden ist, wie ein hoher Eigenverbrauch die Wirtschaftlichkeit der Photovoltaik- (PV-) Anlage steigen lässt und was das nun mit der Ladung eines Elektrofahrzeugs zu tun hat. Solarstrom wird immer günstiger In Abbildung 1 ist die weltweit installierte Photovoltaik-Leistung in GW (Peak) doppellogarithmisch über den Preis aufgetragen. Die jeweils dazugehörenden Jahreszahlen sind mit aufgeführt. Mit der eingezeichneten Gerade lässt sich für die Photovoltaikpreise eine 20 prozentige Preisreduktion bei einer Verdopplung der installierten Leistung näherungsweise feststellen. sinkt), steigt der Kostenvorteil durch Eigenverbrauch des selbst erzeugten Solarstroms. Abbildung 2: Vergleich der Kostenentwicklung der EEG-Vergütung für PV-Systemen mit einer installierten Leistung von weniger als 10 kw mit den Haushaltsstrompreisen Quelle: Eigene Darstellung nach Quaschning, Volker, in: BWK, Band 64 (2012), Nr. 7/8, S Erhöhung des Eigenverbrauchs durch stationäre Stromspeicher Im Privathaushalt kann der individuelle Lastgang der Haushaltsgeräte nicht beliebig in den Bereich hoher Solareinstrahlung verschoben werden. Von daher ist eine Limitierung des Eigenverbrauchs vorhanden. Nutzt man dagegen zusätzlich zur PV-Anlage einen stationären Stromspeicher, kann der Eigenverbrauch erhöht werden, da nun auch außerhalb der Solareinstrahlung Strom gespeichert werden kann. Abbildung 1: Durchschnittlicher PV-Preis für ein Watt (Peak) in Abhängigkeit der installierten PV-Leistung Quelle: Eigene Darstellung nach Fraunhofer ISE: Aktuelle Fakten zu Photovoltaik in Deutschland, Mit der Einführung des Erneuerbaren-Energien-Gesetzes (EEG) im Jahr 2000 wurde der komplett erzeugte Solarstrom ins Netz eingespeist, da die Vergütung wesentlich höher als der Preis für Haushaltsstrom war. Seit 2013 ist nun der Zeitpunkt erreicht, an dem es wirtschaftlicher ist zuerst den Eigenverbrauch mit Solarstrom abzudecken und nur die solaren Überschüsse ins Netz einzuspeisen (Grid-Parity). Umso stärker nun der Haushaltsstrompreis in der Zukunft steigt (und Solarstrom weiter Einen charakteristischen Leistungsverlauf über einen Tag einer typischen PV-Speicher-Kombination zeigt Abbildung 3 auf der nächsten Seite. Während des Tages bei starker Sonneneinstrahlung wird zuerst die Batterie vollgeladen und dann die PV-Strom-Überschüsse ins öffentliche Netz eingespeist. In den Abendstunden, wenn die Leistung der PV-Anlage zurückgeht, wird der benötigte Haushaltsstrom aus der Batterie wieder entnommen. Ist die Batterie leer, wird der Strom vom Netz bezogen. Seite 2 von 5

3 Abbildung 3: Charakteristischer Leistungsverlauf über einen Tag einer typischen PV-Speicher-Kombination Quelle: Eigene Darstellung nach EuPD Research in Auswahlkriterien für Batteriespeicher, E3DC Ein Elektrofahrzeug verbraucht im Jahr ähnlich viel Strom wie ein Ein-Personen-Haushalt Der statistische Ein-Personen-Haushalt in Deutschland verbraucht kwh Strom pro Jahr (zwei-personen-haushalt: kwh, 75 % aller Haushalte mit ein bis zwei Personen nach BDEW). Elektrofahrzeuge ersetzen aufgrund ihrer geringeren Reichweite und typischen Fahrprofils eher Benzinfahrzeuge als Dieselfahrzeuge, die höhere jährliche Laufleistungen und größere Einzelfahrten am Tag aufweisen. Die durchschnittliche Fahrleistung für Benzinfahrzeuge ist km im Jahr D 2012 ermittelt nach DIW Der Verbrauch eines durchschnittlichen Elektrofahrzeugs in der Praxis kann mit 18 kwh/100 km (eigene Abschätzung Realverbrauch Nissan Leaf nach spritmonitor.de) angenommen werden. Über das Jahr kommen so kwh für ein Elektrofahrzeug zusammen, was einem Ein-Personen-Haushalt in etwa entspricht. Anpassung der Ladeleistung eines Elektrofahrzeugs an die solare Stromerzeugung Für das Laden eines Elektrofahrzeugs mit Solarstrom gibt es eine große Bandbreite möglicher technischer Lösungen. Häufig zu finden sind Energiemanagementsysteme mit Funksteckdosen, die je nach solarer Einspeisung das Elektrofahrzeug wie ein Haushaltsgerät einfach zu- oder abschalten. Häufig kommt es dabei zu Fehlermeldungen des Fahrzeugs und es gibt keine Möglichkeit eine flexible Ladeleistung zu erhalten. Eine schönere und dennoch einfache Lösung besteht aus ei- ner kleinen Solarzelle mit einstellbarem Spannungsteiler, die 0-10 V als Gleichstrom-Eingangssignal für eine Ladebox (In Cable Control Box = ICCB) liefert. Die Ladeleistung lässt sich dann mittels Pulsweitenmodulation der Rechteckspannung (PWM-Signal) stufenlos rauf- oder runterregeln und kann damit gut der solaren Einstrahlung folgen. Durch die Ladebox mit Typ-2-Ausgang können sowohl Fahrzeuge die einen Typ-1 als auch Typ-2-Anschluss besitzen mit Solarstrom geladen werden. Oft findet man neben der Wallbox einen einfachen Umschalter zwischen Ladung mittels Solarstromüberschuss oder Sofort-Laden. Genauer - aber auch aufwendiger - sind Hausautomatisierungs-Systeme, die beispielsweise die momentane solare Erzeugung, den Netzbezug bzw. die Netzeinspeisung auf den Bus legen und über einen Aktor eine Gleichspannung für die Ladebox erzeugen können. Daneben gibt es auch Komplettsysteme, die vom PV-Modul, Energiespeicher, Wechselrichter bis hin zur Wallbox in der Garage die komplette Produktpalette abdecken. Oft können Smartphones und Tablets zum Anzeigen und Bedienen integriert werden. Wetterprognosen werden teilweise mit eingebunden und nach bestimmten Parametern kann das Haus-Energiemanagement, zum Teil auch selbstlernend, optimiert werden. Netzdienliche Betriebsführung von PV-Anlagen mit Speicher In der Abbildung 4.1 ist die konventionelle Betriebsführung zur Ladung von PV-Speichern dargestellt. Ist der Batteriespeicher voll, muss das Stromnetz mit der vollen Einspeiseleistung der PV-Anlage zurechtkommen. Abbildung 4.1 Seite 3 von 5

4 In der Abbildung 4.2 ist die netzdienliche Betriebsführung dargestellt. Hier wird die Ladung der Batterie so gesteuert, dass sie die Spitzenleistung der PV-Anlage für das Stromnetz abmildert. Abbildung 4.2 Abbildung 4.1 und 4.2: Unterschied eines typischen (nicht netzoptimierten) Leistungsverlaufs einer PV-Anlage mit Energiespeicher (4.1) zu einer netzoptimierten Betriebsführung (4.2) Quelle: Eigene Darstellung nach Fraunhofer ISE: Aktuelle Fakten zu Photovoltaik in Deutschland, Starke Reglementierung von Solareinspeisung nach EEG Seit einer Novelle des EEG 2012 kann die Leistung einer PV-Anlage vom Netzbetreiber heruntergeregelt oder abgeschaltet werden. Notwendig ist daher die Anschaffung einer Abschalt-Vorrichtung. Dies ist bei kleinen Anlagen unverhältnismäßig teuer. Möchte man dies umgehen, muss von vornherein die Einspeiseleistung auf 70 % der maximal möglichen Leistung beschränkt werden (60 % mit Energiespeicher). Während die Leistungsbeschränkung bei Ost/West-Dächern kein Problem darstellt, da beide Dachflächen nicht zugleich ihre Höchstleistung erbringen können, ist es bei südlich ausgerichteten Dächern wichtig, einen hohen Eigenverbrauch zur Mittagszeit mit einer intelligenten Steuerung und zuschaltbaren Verbrauchern zu ermöglichen, damit die solaren Erträge oberhalb des 70 %-Limits nicht verloren gehen. Neben den technischen Einschränkungen kommen einige bürokratische Anforderungen dazu. So muss eine PV-Anlage bei der Bundesnetzagentur angezeigt werden. Wenn man die Umsatzsteuer vom Finanzamt zurückerstattet haben möchte und auf die Kleinunternehmerregelung verzichtet, ist man darüber hinaus verpflichtet, monatlich eine Umsatzsteuer-Voranmeldung abzugeben. Dabei wird auch der eigenverbrauchte Strom bilanziert und die Umsatzsteuer wieder hinzugerechnet. Dies ist gerade für kleine PV-Anlagen ein nicht zu unterschätzender Aufwand. Zunahme von wilden Solaranlagen (Solar-Guerilla) ohne Genehmigung Eine neue Bewegung, die sich Solar-Guerilla nennt, installiert ohne Anmeldung einzelne oder mehrere Solarmodule mit Mikrowechselrichtern, z.b. an Balkonen, und speist rückwärts über Außensteckdosen den Solarstrom ins Hausnetz ein. Es gibt dazu schon schlüsselfertige Anlagen zu kaufen, die mit einem Schukostecker versehen sind, um beispielsweise Mietern ohne Zugang auf ein Hausdach die Möglichkeit zu bieten, mit einfachstem Installationsaufwand eine Solaranlage in Betrieb zu nehmen. Die Anschaffung amortisiert sich über eine niedrigere Stromrechnung über acht bis zwölf Jahre. Offiziell muss eine PV-Anlage bei der Bundesnetzagentur gemeldet werden und auch der Energieversorger ist darüber zu informieren. Damit nicht im Extremfall der alte Stromzähler rückwärts dreht (mehr PV-Strom erzeugt als im Haus verbraucht) und man strafrechtlich verfolgt wird, muss der Stromzähler gegen einen rücklaufgesperrten Zähler ausgewechselt werden. Fazit Neben der Auswahl an geeigneten Kabeln und einer zum Elektrofahrzeug passenden Wallbox kommt schnell der Kundenwunsch nach einer Eigenerzeugung des Ladestroms auf. Die Auswahl von geeigneten Komponenten (PV-Modul, Energiespeicher, Wechselrichter bis hin zur intelligenten Wallbox) ist sehr komplex und bringt oft auch Handwerksbetriebe an ihre Grenzen. Je mehr Vorwissen der private oder gewerbliche Kunde mitbringt, desto mehr wird das fertige Produkt seinen Wünschen entsprechen und ihn mit dem guten Gefühl von selbst erzeugter Energie für seine Mobilitätsansprüche belohnen. Quellen BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.v. bdew, Deutschland DIW: Deutsches Institut für Wirtschaftsforschung (DIW), Verkehr in Zahlen 2013/2014, hrsg. v. Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS), Hamburg 2013, in: Prognos/Shell-Studie. IFEU: Ergebnisbericht UMBReLA - Umweltbilanzen Elektromobilität, Forschungsprojekt des Instituts für Energie- und Umweltforschung Heidelberg (IFEU), gefördert durch das Bundesumweltministerium (BMU), ISE: Aktuelle Fakten zu Photovoltaik in Deutschland, Quaschning, Volker, in: BWK, Band 64 (2012), Nr. 7/8, S Seite 4 von 5

5 Verantwortung leben - Zukunft gestalten Dr.-Ing. Jürgen Kölch Forschung/Vorentwicklung, Neue Technologien juergen.koelch@evafahrzeugtechnik.de hat an der TU München über die Abgasreinigung pflanzenölbetriebener Dieselmotoren promoviert. Als Post-Doc untersuchte er am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) in Ulm die Langlebigkeit von PEM-Brennstoffzellen. Seit über zehn Jahren ist er bei EVA Fahrzeugtechnik GmbH in unterschiedlichsten Bereichen wie der Antriebsvorentwicklung alternativer Kraftstoffe, Infrastrukturthemen Wasserstoff / Elektromobilität, Vorketten-Betrachtungen, Ladethemen und der Zweitnutzung gebrauchter Elektrofahrzeugbatterien im Einsatz. Dr. Kölch ist neben seiner Tätigkeit bei der EVA Fahrzeugtechnik GmbH an der Technischen Hochschule Ingolstadt Lehrbeauftragter für Elektromobilität und alternative Antriebskonzepte in der Automobilindustrie und Politische und soziale Trends im Bereich der Mobilität. Wir entwickeln innovative Lösungen für die Mobilität von morgen. EVA Fahrzeugtechnik GmbH Unternehmenskommunikation Heidemannstraße 41a München Tel +49 (0) Fax +49 (0) marketing@evafahrzeugtechnik.de Autor: Dr.-Ing. Jürgen Kölch, EVA Fahrzeugtechnik GmbH Gestaltung: EVA Fahrzeugtechnik GmbH Copyright 07/2015 EVA Fahrzeugtechnik GmbH, München, Alle Rechte vorbehalten Impressum: