Ladesäulentechnologie und Einbindung in Gebäudetechnik

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1 Ladesäulentechnologie und Einbindung in Gebäudetechnik Prof. Dr. Lutz Rauchfuss Professur Antriebs- und Regelungstechnik Prof. Jörg Mehlis Professur Facility Management Hochschule Mittweida

2 Forschungsvorhaben 2012 Förderung durch das Sächsische Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst (SMWK) Forschungscluster E³ - Energiemanagement für energieeffiziente E-Mobilität und Gebäudetechnik Themenschwerpunkte: 1. Ladesäulentechnologie 1.1 Ableitung systematischer Ansätze zur Beschreibung der Energieflüsse im Verteilernetz auf Basis von Simulationsmodellen 1.2 Entwicklung von Energieflussszenarien die den Einfluss fluktuierender regenerativer Energiequellen, aber auch den Energiebedarf zukünftiger E-Mobilität prognostiziert und analysiert 2. Einbindung in die Gebäudetechnik 2.1 Analyse der möglichen Synergien zwischen den energetischen Prozessen innerhalb eines Gebäudes und der E-Mobilität 2.2 Anforderungen an neue Energiedienstleistungen 2

3 1. Ladesäulentechnologie - Intelligente Ladesäule bildet die Schnittstelle zwischen dem Elektrofahrzeug und dem Energieverteilnetz Ladesäule als Schnittstelle zwischen E-Fahrzeug und Verteilnetz Display der "Intelligenten Ladesäule" - Entwicklung eines Display zur Anzeige von aktuellen Zustandsgrößen (Strom, Spannung und Leistung) der Ladesäule während des laufenden Betriebes - alle erforderlichen Informationen stehen dem Bediener/Nutzer der Ladesäule transparent zur Verfügung. 3

4 1. Ladesäulentechnologie Ladesäulenprototyp Funktionen: - Bidirektionaler Energiefluss zum Laden und Entladen der Fahrzeugbatterie - Phasenschieberbetrieb zur Beeinflussung des cos(ϕ) am Netzanschlusspunkt der Ladesäule - Kompensation von Oberschwingungen im Smart Grid - Fernsteuerung der Ladesäule gesteuert vom Netzbetreiber Prototyp einer "Intelligenten Ladesäule" 4

5 1. Ladesäulentechnologie Funktionalität der Intelligenten Ladesäule Schnittstelle zwischen Netz und Fahrzeug bidirektionaler Energiefluss Schnell Laden / Entladen Phasenschieberbetrieb am Netz Simulation des Verhaltens eines Li-Ionen-Akku bei der Speisung des Prüfstandes Phasenschieberbetrieb am Netz Allrad-Antriebsstrang gespeist aus Li-Ionen Akku gemeinsamer Gleichstromkreis (DC-Kreis) formula student electric Kompensation ausgewählter Netzoberschwingungen

6 Ziele der EU bis 2020: Energieversorgung aus erneuerbaren Energien zu 20% Reduzierung der Treibhausgase um 20% Steigerung der Energieeffizienz um 20% - Erhebliche Bedeutung energetische Optimierung von Bestandsgebäuden und -anlagen - Einbindung neuer Technologien Ziel: 1 Millionen Elektrofahrzeuge bis 2020 in Deutschland Quelle: - Vision: direkter Energieaustausch zwischen Fahrzeug und Gebäude zur Reduzierung der Energiekosten schneller Amortisierung der Mehrkosten für Elektrofahrzeuge durch Nutzung im Gebäudemanagement 6

7 Analyse der Kopplung von Elektrofahrzeugen an Gebäude Pilotprojekte schon vorhanden - Karlsruher Institut für Technologie neu errichtetes Wohnhaus, Fahrzeug fungiert als mobiler Energiespeicher Ziel: Lastspitzen vermeiden Fahrzeugakku nimmt in Niedriglastzeiten überschüssigen Strom auf, speist diesen in Hochlastzeiten wieder in das Hausnetz Das E-Fahrzeug wird über eine Ladestation mit dem Hausnetz verbunden. Eine Steuerbox (Smart Home Management Device SHMD) regelt die Kommunikation zwischen Erzeuger, Speicher und Verbraucher Quelle: Integration of Electric Vehicles in Smart Homes 7

8 Analyse der Kopplung von Elektrofahrzeugen an Gebäude Optimierte Lastverlauf des Hauses durch die Nutzung der Energie aus dem E-Fahrzeug

9 Analyse der Kopplung von Elektrofahrzeugen an Gebäude - Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung und der Universität Stuttgart Effizienzhaus Plus überschüssige Energie wird zum Laden des Fahrzeuges verwendet, Rückeinspeisung vom Fahrzeug ist nicht vorgesehen Zusätzlich benötigte Energie für das Gebäude wird entweder von den Hausbatterien oder vom öffentlichen Netz zur Verfügung gestellt. 9

10 Projektauswertung - das Plusenergiehaus erzeugt mehr Energie, als benötigt wird - überschüssige Energie kann in Hausbatterien zwischengespeichert werden, um eventuelle Engpässe im Hausnetz auszugleichen - durch Nutzung des E-Fahrzeugs als Pufferspeicher, kann die Hausbatterie kleiner dimensioniert oder womöglich gar auf sie verzichtet werden. (Rückspeise-Technologie) - Ansätze des Plusenergiehaus in Verbindung mit der Rückspeise-Technologie bietet wahrscheinlich die höchste Einsparung und damit die geringsten Energiekosten. 10

11 Ansätze des Forschungsvorhabens - Nutzung in gewerblich genutzten Bestandsgebäude noch keine Erfahrungen - Gewerbeobjekte haben hohe Energiekosten und Vollzeit-Nutzung - Übertragung der Technologien auf gewerbliche Objekte sinnvoll - Energiespeicher müssten aufgrund eines höheren Verbrauchs, größer ausgelegt werden. - Alternative: Vielzahl von E-Fahrzeuge als mobile Energiespeicher höhere Anzahl an Ladesäulen 11

12 Nutzung in gewerblich genutzten Objekten Gebäude ohne eigene Energieerzeugung - Nutzung des Strom aus dem öffentlichen Netz - Durch Einspeisung der Energie aus E-Fahrzeugen können Lastspitzen gesenkt werden - In Niedriglastzeiten kann wieder Strom ins Fahrzeug gespeist werden - Erneute Lastspitzen vermeiden durch intelligentes Lademanagement Gebäude mit eigener Energieerzeugung - Eigenverbrauch, überschüssige Energie in Hausbatterien/Fahrzeug speichern - Bei Energiebedarf kann auf die gespeicherte Energie bzw. auf das öffentliche Netz zurückgegriffen werden - Durch entsprechende Energiemanagementsysteme sollte die Ladung und Entladung der Fahrzeuge jedoch so gesteuert werden, dass nach Feierabend die Fahrzeuge geladen zur Verfügung stehen.

13 Nutzung in gewerblich genutzten Objekten Technische Anforderungen an das Gebäude - Durch die Nutzung der E-Mobilität ergeben sich bauliche und technische Anforderungen an die Immobilie - sparsame und intelligente Technologien - Zwischenspeicherung überschüssiger Energie (Hausbatterien) - Ladesäulen oder Induktionsfelder - Energiemanagementsystem - DC-basiertes Laden: 15 bis 30 Minuten Ladezeit - AC-basiertes Laden: 4 10 Stunden Ladezeit 13

14 Nutzung in gewerblich genutzten Objekten Anforderung: detaillierte und nutzungsgerechte Abrechnung Mögliche Geschäftsmodelle 1. Ladung des Akkus zum rabattierten Preis (Großkundenpreis) Einfachste Verrechnungsmethode Keine Informationen vom Fahrzeug benötigt Keine direkte Kompensation für Verringerung der Akkulebensdauer 2. Verrechnung von Einspeisung und Aufladung Höherer Abrechnungsaufwand Keine Informationen vom Fahrzeug benötigt Keine direkte Kompensation für Verringerung der Akkulebensdauer 3. Vergütung bereitgestellter Akkukapazität Aufwändige Abrechnung Informationen vom Akku werden benötigt Direkte Kompensation für Verringerung der Akkulebensdauer 14

15 Theoretische Analyse der Einbindung an der HS-Mittweida Elektroenergieverbrauch an Arbeitstagen AVG viertelstündlicher durchschnittlicher Energieverbrauch AVG+STD durchschnittlicher Energieverbrauch zuzgl. Standardabweichung AVG-STD durchschnittlicher Energieverbrauch abzgl. Standardabweichung MEAN durchschnittlicher Jahresenergieverbrauch 15

16 Theoretische Analyse der Einbindung an der HS-Mittweida Lastspitzensenkung = Speicherkapazität erhöhen Um zu ermitteln, wie teuer Speicherkapazität maximal eingekauft werden kann, wurde errechnet wie hoch die Kosteneinsparungen pro zur Verfügung stehender kwh Speicherkapazität bei einer Senkung der Lastspitzen um X% sind. Die Einspareffizienz sinkt, je stärker die Lastspitzen gesenkt werden, da mehr nicht benötigte Speicherkapazität vorgehalten werden muss. Investitions- und Instandhaltungskosten für Infrastruktur sind hier noch nicht enthalten. Grad der Lastspitzreduktion 16

17 Theoretische Analyse der Einbindung an der HS-Mittweida Fazit - zu lösende Aufgaben Kopplung von Elektrofahrzeugen mit Bestandsgebäuden ohne eigene Energieerzeugung rechnet sich noch nicht - Einsparungen durch Lastsenkung sind zu gering - Speicher sind noch zu teuer - Verschleiß ist noch zu hoch Organisatorische Probleme sind nur schwer in Griff zu bekommen - Fahrzeuge sind am Standort, wenn Energie vom Fahrzeug benötigt wird (Ankunft mit möglichst vollem Akku) - Fahrzeuge verlassen den Standort, wenn Energie in Fahrzeug transferiert werden kann (es muss daher bekannt sein, wann das Fahrzeug wieder benötigt wird) Alternativ kann auch der Fuhrpark eines Unternehmens genutzt werden - Diese Fahrzeuge sind i.d.r. nachts am Standort - Fahrzeugbedarf ist planbar (z.b.: Kopplung Fuhrparkmanagement) 17

18 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 18