Ladesysteme für E-Fahrzeuge

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1 Ladesysteme für E-Fahrzeuge Netzintegration von Elektrofahrzeugen. Wie und Warum? Smart Grid Integration von Elektrofahrzeugen Dominik Noeren Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Mit Spannung Mobil 2011 Schopfheim, Fraunhofer ISE Wer wir sind und was wir tun Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 1

2 Das Fraunhofer ISE in a Nutshell Größtes europäisches Solar-Forschungsinstitut mit über 1000 Mitarbeitern (incl. Studenten)» Forschung» Entwicklung» Dienstleistung Arbeitsbereiche: Energieeffiziente Gebäude und Gebäudetechnik Angewandte Optik und funktionale Oberflächen Solarthermie Silicium-Photovoltaik Alternative Photovoltaik- Technologien Regenerat. Stromversorgung Wasserstofftechnologie Außenstellen: ISE Freiburg CSP Halle THM Freiburg LSC Gelsenkirchen CSE Bosten Finanzierung: Grundfinanzierung: 10% Vertragsforschung 90% (45% Industrie, 45% öffentlich) 62M Budget (2010) >10% Wachstum p.a. ISE-Kompetenzen im Bereich Elektromobilität Smart Grid: Energiemanagement, Netzintegration, Lade- und Rückspeisungskonzepte Authentifizieren, messen und abrechnen IKT/ Kommunikationslösungen Batteriesystemtechnik Leistungselektronik (Bidirektionaler On-Board Lader, Bidirektionaler Schnelllader) Brennstoffzellentechnik Ladestationen/ Wasserstofftankstellen Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 2

3 - Gruppe IES/Smart Grids Kompetenzen in Forschung, Entwicklung und Demonstration Energy Gateways and Electric Mobility Economy and System Integration User Behaviour and Field Tests Energy Management and Grids Energiewirtschaft und Systemintegration: Analysen, Studien und Consulting zu Energiewirtschaft, -gesetzgebung, -politik sowie Entwicklung von Geschäftsmodellen Energiemanagement und Netze: Elektrische und thermische Energiesysteme auf Verteilnetzebene. Modellierung und Simulation von Netz- und Energiesystemen, Optimierung, Demonstration im Smart Energy Lab Energie-Gateways und Elektromobilität: Software- und Hardwareentwicklung, Embedded- Systeme, Smart Metering Prototyping, Kommunikationstechnologien Benutzerverhalten und Feldtests: Verhaltenswissenschaften, sozio-ökonomische Wissenschaften, Feedback-Analyse, Statistik und Stochastik die nächsten Minuten 1. Elektromobilität im Alltag 2. Ökologischer Aspekt der Elektromobilität 3. Der Wandel zur grünen Energieversorgung der Zukunft 4. Die Bedeutung von Elektrofahrzeugen im Smart Grid 5. Intelligent gesteuerte Ladung der Batterien 6. Elektromobilitätsprojekte am Fraunhofer ISE Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 3

4 Elektromobilität im Alltag Verfügbarkeit Vor- und Nachteile Verfügbarkeit von Fahrzeugen Segway (derzeit noch patentiert) Tazzari (im Fremdvertrieb) div. Elektrofahrräder Smart und Think (derzeit Leasing) div. Elektroroller div. Kleinfahrzeuge/ Dreiräder (z.b. Twike und Sam) Fraeger Stroms batterieel. 120km/h, 65PS Mitsubishi IMiEV Citroën C-Zero Peugeot ion (im Direktvertrieb) Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 4

5 Vorteile und Nachteile von Elektromobilität Die untenstehende Liste führt die wichtigsten Vor- und Nachteile von Elektromobilität auf: Vorteile (zum Teil optional) Lokale Emissionsfreiheit ökologische Mobilität Geringere Energiekosten Mögliche Smart Grid Integration Neue Märkte Effizienzsteigerung Versorgunssicherheit Energie Elektrofahrzeuge stoßen keine Abgase aus und sind leise.. Durch den Einsatz von Erneuerbarer Energie kann die CO2-Emission von ca. 170g auf 10g/km reduziert werden Die Effizienz von batterieelektrische Fahrzeuge (ca. 70%) ist ca. 3x so hoch wie beim Verbrennungsmotor (ca. 20%) Die Energiekosten pro 100km können von ca.11 Euro auf ca. 3 Euro reduziert werden (Entwicklung sehr fraglich!) Elektrofahrzeuge können durch ihre langen Standzeiten gut zum Lastmanagement beitragen Elektromobilität erschließt weltweit einen neuen Markt (Aus Marktdruck heraus) Verringerung der Ölimportabhängigkeit, lokale/ nationale Energieproduktion Nachteile Geringe Marktverfügbarkeit von Fahrzeugen Hohe Anschaffungskosten der Fahrzeuge Keine flächendeckende Ladeinfrastruktur Lange Ladedauer Begrenzte Reichweite Derzeit nur wenige Fahrzeuge auf dem Markt; nur erste Erfahrungen mit neuen Systemen Ein Klein- bis Kleinstfahrzeug kostet heute ca Euro; eine hybride Oberklasse wird bei knapp unter Euro liegen Ladeinfrastruktur ist im öffentlichen Bereich nicht ausreichend vorhanden und teuer Die Dauer einer Ladung für 100km beträgt heute ca. 1 bis 8 Stunden Die Reichweite verfügbarer E-PKW beträgt ca km Ökologischer Aspekt der Elektromobilität Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 5

6 Treiber für Elektromobilität volkswirtschaftlich, ökonomisch: Entkoppelung von Öl und -importen technisch: Höhere Gesamteffizienz einfache Technik Einbindung ins Smart Grid ökologisch: CO 2 -Reduktion im Individualverkehr Örtlich emissionsfreier Verkehr (Lärm bis NOx/CO 2 ) Ökologische Aspekte der Elektromobilität Wechsel im Energiemix heute: Verbrenner: Deutschland heute CO 2 Emissionen PKW: nahezu 100% fossil EU-Ziel: ca.130 g CO 2 /km (Flotte) Strom: Ökostrom: Strommix 2050: Deutschland heute CO 2 Emissionen Strom/EV: 600 g CO 2 /kwh 120 g CO 2 /km (0,2 kwh/km) Deutschland 2050 CO 2 Emissionen Strom/EV: 55 g CO 2 /kwh 11 g CO 2 /km (0,2 kwh/km) Quelle: BAFA/FNR 2011, BDEW/AGEB 2009, Nitsch 2008 Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 6

7 Der Wandel zur grünen Energieversorgung der Zukunft Smart Grid Netzintegration von Elektrofahrzeugen Smart Grid als intelligentes Energieversorgungsystem Konzept 0,4 kv 0,4 kv Gestern Heute und Zukunft Vernetzung und Steuerung von intelligenten Erzeugern, Speichern, Verbrauchern und Netzbetriebsmitteln in Übertragungs- und Verteilungsnetzen mit Hilfe von IKT Nachhaltige und umweltverträgliche Sicherstellung der Energieversorgung Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 7

8 EV-Batterien als netzgebundene Energiespeicher Annahme je Fahrzeug: 10 kwh 20 h/d verfügbar (4h/d Fahrt) 10 kwh Speicher 3,5 kw Leistung (16A bei 230V) ca. 3h Ladezeit ~10 kv- 20 kv Speicherpotenzial 1 Mio. EV (2020 in D): Speicherpotenzial 4,5 Mio. EV (10 % in D): Speicherleistung: Kapazität: 2,9 GW 8,3 GWh Speicherleistung: Kapazität: 13,1 GW 37,5 GWh EV-Batterien als netzgebundene Energiespeicher 10 kwh ~10 kv- 20 kv Installierte Pumpspeicherwerke in Deutschland: Speicherpotenzial 4,5 Mio. EV (10 % in D): Speicherleistung: Kapazität: Stromerzeugung: Jahreslaufleistung: ca. 7 GW ca. 40 GWh ca. 7,5 TWh/a >1000 h Speicherleistung: Kapazität: 13,1 GW 37,5 GWh Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 8

9 Die Bedeutung von Elektrofahrzeugen im Smart Grid Energie, Leistung, Elektrofahrzeuge Ladeinfrastruktur (konduktiv) und Ladestrategien Heimladung (langsam) Schnellladung (schneller) Batteriewechsel (schnell) Schuko Mennekes CHAdeMO (Japan) 230V/ AC 16A => 3,7 kw Mind. 6h für 100km 400V/AC bis 63A/ 43 kw 2 bis 0,5h für 100km 300 bis 600V/DC Bis zu 63 kw >20Min. für 100km Essentiell sind: die Nutzerfreundlichkeit die Schaffung von Standards Quelle: DGS Tomi Engel; Internet div. Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 9

10 Lastveränderungen durch EV - Beispiel Freiburg Szenario: Plug and Charge ungesteuertes Laden Auf den folgenden Slides werden unterschiedliche Szenarien dargestellt. Die Berechnungen fanden anhand von Netzkennwerten in Freiburg statt. Annahmen: Zukünftige Batteriegröße: 40 kwh Ladeleistung: 3,5 kw Verbrauch: 0,2 kwh/km Weitere Werte (tägliche Fahrstrecke, Abfahrts- und Ankunftszeit) gemäß MID- Studie ( Haushalte, Fahrzeuge, Strecken) Leistung [MW] Veränderung des Wochenlastganges durch ungesteuertes Laden (Ladebeginn nach letzter Fahrt) 0 Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag Samstag Sonntag Zeit Lastprofil Freiburg Lastveränderungen durch EV - Beispiel Freiburg Szenario: Plug and Charge ungesteuertes Laden Ungesteuertes Laden direkt nach Ankunft (gemäß MID- Studie). Steigerung der Lastspitzen um ca. 50% Steigerung in den Nachtzeiten ca. 10% Größere Differenz zwischen Tag und Nacht Schlechte Ausnutzung des Kraftwerksparks Mit Erneuerbaren Energien nicht möglich! Leistung [MW] Veränderung des Wochenlastganges durch ungesteuertes Laden (Ladebeginn nach letzter Fahrt) 0 Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag Samstag Sonntag Zeit Lastprofil Freiburg E-Mob an 3,5 kw Finanzieller Anreiz zur Ladung in Schwachlastzeiten ist sinnvoll! Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 10

11 Lastveränderungen durch EV - Beispiel Freiburg Szenario: Schaltung durch zweite Tarifstufe (HT/NT) Veränderung des Wochenlastganges durch einfaches tarifgeführte Beladung der Elektroflotte Leistung [MW] Was passiert bei einer harten Tarifschaltung? 0 Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag Samstag Sonntag Lastprofil Freiburg Zeit Tarif 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Tarif [ ] Lastveränderungen durch EV - Beispiel Freiburg Szenario: Schaltung durch zweite Tarifstufe (HT/NT) Starke Gleichzeitigkeitseffekte Steigerung der Lastspitzen um ca. 150% Steigerung in den Nachtzeiten ca. 10% Größere Differenz zwischen Tag und Nacht Schlechte Ausnutzung des Kraftwerksparks Mit Erneuerbaren Energien nicht möglich! Leistung [MW] Veränderung des Wochenlastganges durch einfaches tarifgeführte Beladung der Elektroflotte 0 Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag Samstag Sonntag Zeit Lastprofil Freiburg E-Mob an 3,5 kw E-Mob an 10kW Tarif 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Tarif [ ] Finanzieller Anreiz zur Ladung in Schwachlastzeiten muss intelligent bzw. stufenlos gelöst sein! Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 11

12 Intelligent gesteuerte Ladung der Batterien Mögliche Lademodi Einfaches Laden (Plug n Charge) Demand-Side- Management (DSM) Vehicle-to-Grid (V2G) Laden Laden Laden Laden Laden increasing complexity increasing synergy Entladen Strompreis ( /kwh) Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 12

13 Beispiel: E.ON / FhG-ISE Entwicklung Intelligentes Home Charging mit e.box V2G Lademodi (nutzerselektierbar) 1) einfach 2) gesteuert (DSM) 3) bidirektional (V2G) Vor-kommerzieller Prototyp erste Feldtests laufen 30cm x 30cm x 10cm Wallbox für privaten Gebrauch Drahtlose Kommunikation & dynamische Tarifierung Elektromobilitätsprojekte am Fraunhofer ISE Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 13

14 Projekt Effiziente Mobilität - Eckdaten Aufgabe: Einbindung von Elektrofahrzeugen in den Fuhrpark der Badenova (600 Diesel-, Benzin-, Hybrid- u. Erdgas-Fahrzeuge) Untersuchung der Eignung von Elektro-Fahrzeugen für den Fuhrparkbetrieb Optimierung des Fahrzugeinsatzes unter ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten Flotteneinsatz von Elektrofahrzeugen. Ableitung Geschäftsmodelle. Partner: Badenova, ISE Laufzeit: 2 Jahre Förderung durch den Badenova-Innovationsfond Flottenversuch Elektromobilität (VW, EON, ) Entwicklung eines Plug-In-Hybrid-Fahrzeugs ;Feld-Tests mit 20 Fahrzeugen durch VW weitere Partner Fahrzeugentwicklung Bidirektionale Nutzung der Fahrzeug- Netzschnittstelle Stromnetze und Infrastruktur Flottenversuch und Auswertung ISE-Aufgaben (Unterauftragnehmer von EON und VW) Konzeption der Schnittstelle Fahrzeug / Netz Energieflussmanagement stationär / mobil Kommunikation, Authentifizierung und Metering Ladekonzepte u. Aufbau Ladetechnik Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 14

15 Fraunhofer-Systemforschung Elektromobilität FSEM Bündelung der technologischen Fähigkeiten von über 30 Fraunhofer-Instituten Aufbau einer umfangreichen Systemkompetenz über den gesamten Bereich Entwicklung von Komponenten und Systemen und Einbau in Demonstratoren Industriebeirat, Forum Elektromobilität, Verein Forum Elektromobilität Abschluss mit Demo des Versuchsträgers Frecc0 Anf. September in Papenburg ISE leitet 2 von 12 technischen Teilprojekten Universelle Ladesäule (Prototyp) Features AC- / DC-Laden möglich Volle Kommunikation zu Nutzer, Fahrzeug, EVU Energetische Einbindung von Gebäuden (PV-, KWK- Anlagen) Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 15

16 Systemlösung: Fahrzeug-Netzschnittstelle AC-Stecker SP2A-AP4 Ladegerät Legende AC- oder DC-Strom CAN-Kommunikation Kommunikation PLC Stromzähler Zentrales Steuergerät ECM Energie- Management Batterie DC-Stecker Battery system From cell to module to system EMS 231x179x289 mm Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 16

17 Energy and Battery Management Architecture Pumping System Cooling Circuit Vehicle Control Device Battery Charger GND_BAT String 3 String 2 String 1 Energy management system as central control unit Decentralized battery management system for each single battery module Safety Shutdown (Microcontroller, 12 Kalman filter, LTC6802 Voltage Measurement and Cell Balancing) Current Measurement One Cell Temperature Monitoring... (12 Cells in series) Communication Bus Determination of state of charge and state of health of each single cell possible Communication Bus EMS (Energy Management System) Embedded System Redundancy: 2x EMS 2x Communication GND_BAT On-Board-Ladeeinheit Leistungsdaten: Leistung 3,3 kw galvanische Trennung Wirkungsgrad ca 93% Weitere Entwicklungen / Trend: Schnellladefunktion bis 20 kw Reduzierung von Volumen und Gewicht Wirkungsgraderhöhung auf > 97-98% Energiesparend Reduzierung der Verlustwärme ermöglicht noch kompaktere Bauweise Einsatz von aktiven SiC-Bauteilen Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 17

18 Bidirektionales externes Schnellladegerät (22kW) Prototyp bidirektional 3L-AC/DC- 2-phasiger DC/DC-Wandler optim. Match Batterie-Netzspannung geringer Ripple > geringe EMV- Belastung Taktfrequenz 80 khz sehr hoher Wirkungsgrad (>96%) geringe Verlustleistung kompakter Aufbau transformatorlos klein, leicht, aber erhöhte Anforderungen an Fehlerstromerkennung Hohe Leistungsdichte 2,7 kw / Ltr. Einbau in Ladesäule oder als On-Board- Version (Wasserkühler) Gemeinschaftliche Mobilität (GeMo) Entwicklung von neuen, ganzheitlichen, intermodalen Mobilitätskonzepten Ableitung passender Geschäftsmodelle Prototypeing der relevanten Hard- und Software Ortungstechnologien Fahr- und Personenleitsysteme/ App- Entwicklung Induktives Laden Netzintegration in urbane Energieversorgungsstrukturen Laufzeit: 3 Jahre ( ) Sechs Fraunhofer Institute Eigenforschung Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 18

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Dominik Noeren Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 19