Analyse der Auswirkungen von Elektromobilität auf das Stromsystem für Österreich und Deutschland 2030/2050

Transkript

1 Analyse der Auswirkungen von Elektromobilität auf das Stromsystem für Österreich und Deutschland 2030/2050 DEFINE Präsentation Dr. Gerhard Totschnig, Markus Litzlbauer Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe TUWien Folie 1 Wien, Totschnig,

2 Die gezeigten Simulationsergebnisse sind im Rahmen des ERA-NET Plus Electromobility+ Projektes DEFINE entstanden. Das Projekt DEFINE wurde durch Mittel des BMVIT mit der Ausschreibung emobilityplus gefördert und im Rahmen des Programms IV2Splus Intelligente Verkehrssystem und Services plus durchgeführt. Folie 2 Wien, Totschnig,

3 INHALT 1. Übersicht über die Szenario Annahmen 2. Simulationsergebnisse Elektromobilität Simulationsergebnisse 100% Elektromobilität 2050 Folie 3 Wien, Totschnig,

4 HiREPS Simulationsmodell High Resolution Power System Model Analyse von zukünftigen Energiesystemen mit steigendem Anteil an Erneuerbaren Energien Investitionsoptimierung zur optimalen Auslegung verschiedener Systemkomponenten: Kraftwerkspark, Pumpspeicher Ausbau, Erneuerbaren Mix, Wärmeversorgung, Wärmespeicher, Nichtkonventionelle Speicher (Power2Gas (P2G), AA-CAES) Stündliche Kraftwerkseinsatzsimulation zur Analyse der ökonomischen und technischen Machbarkeit verschiedener zukünftiger Szenarien Gemeinsame Betrachtung des Strom-, Wärme- und PKW Sektors (Synergieeffekte) Folie 4 Wien, Totschnig,

5 Szenario Annahmen 2030 Österreich und Deutschland wird gemeinsam betrachtet GW Installierte Leistung 2030 AT DE Wind-Land Wind-OffSh 21.9 PV GuD Steinkohle Braunkohle 13.5 Preise 2030 Kohle Euro/MWh Braunkohle Euro/MWh 1.50 Quellen: Erdgas Euro/MWh GW Installierte Leistung 2030 AT DE Wind-Land Wind-OffSh 21.9 PV GuD Steinkohle Braunkohle 13.5 Preise 2030 Kohle Euro/MWh Braunkohle Euro/MWh 1.50 Erdgas Euro/MWh CO2 Preis Euro/tCO Für DE: Brennstoffkosten und Kraftwerkskapazitäten laut Szenario B des Szenariorahmens für den Netzentwicklungsplan CO2 Preis Euro/tCO Für AT: Fortschreibung der thermischen Kapazitäten von PV als 2-fache des 2020 Ziels(Ökostromgesetz 2012). Wind 50% des realisierbaren Potentials 2030 (AuWiPot). Zunahme des Strombedarfs in DE+AT um 10% (Primes Ref. Szenario) Folie 5 Wien, Totschnig,

6 Unterschiedliches Nutzer- und Ladeverhalten simuliert Unter dem Begriff Elektromobilität wird hier nur die Verwendung von E- PKW analysiert Sofortiges schnellstmögliches Laden nach dem Anstecken an Ladesäule Strommarktgesteuertes Laden = Laden wenn der Strom billig ist: Anstecken an einer Ladestation wann immer möglich (häufiges Anstecken) Seltenes Anstecken: Anstecken an einer Ladestation nur dann wenn es nötig ist um viel mit Strom zu fahren Vehicle to Grid(V2G): Nutzung der Fahrzeugbatterie um Strom zwischenzuspeichern Folie 6 Wien, Totschnig,

7 Einsparungen durch gesteuertes Laden EM Stromkostenersparnis: Gesteuertes Laden mit häufigem Anstecken: 28 pro E-PKW & Jahr Gesteuertes Laden mit seltenem Anstecken: 23 pro E-PKW & Jahr Zusätzliche Einsparung durch V2G bei BEV: 10 pro BEV und Jahr. Insgesamt 43 /a bei BEV Verlagerte Strommenge AT+DE: Gesteuertes Laden 12.6 TWh Pumpspeicher 4.5 TWh (bei häufigem gesteuerem Laden) 8.3 TWh (bei sofortigem Laden) Vergleichswerte: Wasserkraft Regelarbeitsvermögen AT+DE 60 TWh. Stromnachfrage 782 TWh (incl. P2H+Emob, DE+AT 2030) Folie 7 Wien, Totschnig,

8 PkW-CO2 Emissionen im Emob+2030 Szenario CO2 Emissionen hängen davon ab, ob für den Strombedarf der Elektromobilität eine zusätzliche erneuerbare Stromerzeugung gebaut wird. Wenn existierender Kraftwerkspark 2030 verwendet wird die zusätzliche E-PKW Stromnachfrage zu erzeugen, dann betragen die Emissionen 560 gco2/kwh. Das entsteht durch einem Mix der zusätzlichen Erzeugung von 45 % Gas KW, 45 % Steinkohle KW, 4 % Braunkohle KW und 6 % Biomasse KW. Dies trotz der 88 GW Wind und 64 GW an PV in diesem Szenario! Bei 560 gco2/kwh sind E-PKW kaum besser als hocheffiziente Benzin oder Diesel PKW 2030 mit L/100km. Folie 8 Wien, Totschnig,

9 Verteilnetzsimulation Emob+2030 Mittels Lastflussberechnungen wurden die Auswirkungen von ungesteuertem Laden sowie marktorientiertem gesteuerten Laden anhand eines repräsentativen Niederspannungsnetzes untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass unter den gewählten Rahmenbedingungen weder Netzkomponenten überlastet, noch Spannungsgrenzen verletzt werden. Um die bestehenden Netzstrukturen jedoch möglichst lange und effizient nutzen zu können, wird das Laden mit niedrigen Anschlussleistungen empfohlen. Dabei ist eine symmetrische Lastaufteilung durch dreiphasiges Laden zu bevorzugen. Folie 9 Wien, Totschnig,

10 Szenario - 100% Eletromobilität 2050 AT+DE Annahmen: -80% bei CO2 Emissionen von: Stromerzeugung Raumwärme- und Warmwassererzeugung PKW-Sektor Das entspricht 131Mt CO2 für AT+DE. Die mittleren sind Stromgestehungskosten sind 67Euro/MWh Folie 10 Wien, Totschnig,

11 Stromerzeugung 2050 Szenario -80% CO2 Folie 11 Wien, Totschnig,

12 100% Elektromobilität vs 100% ICE bei gleichem CO2 Limit (131Mt CO2 für AT+DE) Emissionen: Bei 100% ICE : +20GW Wind Offshore +30GW PV Folie 12 Wien, Totschnig,

13 Bemerkung Das -80% Emissionszenario wäre auch mit 100% ICE PKW machbar. Siehe vorherige Folie. Es musste dafür im Stromsektor +20GW Wind Offshore und + 30GW PV installierte werden im Vergleich zum Szenario mit 100% Elektromobilität. Ein -90% Emissionen Szenario (=65MtCO2 für DE+AT 2050) ist mit 100% ICE aber unmöglich Folie 13 Wien, Totschnig,

14 Einsparungen durch 100% Elektromobilität beim -80% CO2 Ziel Szenario im Vergleich zum 100% ICE Szenario Verwenden von 100% Elektroautos die aber ungesteuert und schnellstmöglich geladen werden Unter den Szenarioannahmen dürfen Elektroautos ca mehr kosten als ICE-PKW damit sie im -80% Szenario kosteneffizient zum CO2 Ziel beitragen. -90% Szenario ohne Elektroautos bzw. alternative Antriebe nicht möglich! Folie 14 Wien, Totschnig,

15 Vergleich Kosten Strom&Wärme und PKW Im -80% CO Szenario: Der PKW Sektor (100% ICE) kostet das ca. 2-fache der Strom- und Wärmeerzeugung Definitionen: Kosten Strom+Wärme= Kosten der Erzeugungsanlagen und Brennstoffe. Die Investitonskosten sind mit 7% Zinnsatz über die Lebensdauer der Karftwerke (20-40 Jahre) abgeschrieben. Kosten PKW=Nettopreis Fahrzeuge+Brennstoffkosten (0.77 /Liter). Die Fahrzeugkosten sind mit 1.5 % Zinnssatz über 12 Jahre abgeschrieben. ICE small ICE medium ICE large Mittlere Kosten Nettopreis 12,562 21,855 51,244 31,338 ICE Anteile 28% 32% 41% Folie 15 Wien, Totschnig,

16 Einsparungen durch gesteuertes Laden Szenario: -80% Emissionen 2050, 100% E-PKW Stromkostenersparnis: Gesteuertes Laden mit häufigem Anstecken: 60 pro E-PKW & Jahr Gesteuertes Laden mit seltenem Anstecken: 51 pro E-PKW & Jahr Zusätzliche Einsparung durch V2G bei BEV: 4.5 pro BEV und Jahr. Insgesamt 70 /a bei BEV Verlagerte Strommenge (DE+AT): Gesteuertes Laden 58 TWh Pumpspeicher 13 TWh Vergleichswerte: Wasserkraft Regelarbeitsvermögen AT+DE 60 TWh. Stromnachfrage 970 TWh DE+AT 2050 Folie 16 Wien, Totschnig,

17 Schlussfolgerungen Gesteuertes Laden führt zu einer gleichmäßigeren Fahrweise der thermischen Kraftwerke und reduziert den Pumpspeichereinsatz. Die Kostenersparnis durch strommarktgesteuertes Laden bei seltenem Anstecken an Ladesäule beträgt im vergleich zum sofortigen ungesteuerten Laden: 2030 (13% E-PKW): 23 pro E-PKW und Jahr. Insgesamt 148 Mio. /a 2050 (100% E-PKW): 51 pro E-PKW und Jahr. Insgesamt 1.8 Mrd. /a V2G nur bei BEV und zeigt eine geringe zusätzliche Stromkostenersparnis von 10 /a(2030)/4.5 /a(2050) pro BEV. Folie 17 Wien, Totschnig,

18 Schlussfolgerungen Sofortiges ungesteuertes Laden erhöht maximale Stromlast 2050 um 16GW. 16GW gesicherte Leistung kosten 16 /a pro E-PKW. Die Verteilnetzsimulationen für EM+2030 Szenario zeigen, dass unter den gewählten Rahmenbedingungen weder bei gesteuerten noch bei ungesteuertem Laden die Netzkomponenten überlastet oder Spannungsgrenzen verletzt werden. Kosten für Übertragungsnetzausbau wurden nicht simuliert Statt Strommarktgesteuertes Laden könnte auch schnellstmögliches aber netzlimitiertes Laden eine Option sein. Folie 18 Wien, Totschnig,

19 ENDE Folie 19 Wien, Totschnig,

20 Szenario - 100% Eletromobilität 2050 AT+DE Annahmen: -80% bei CO2 Emissionen von: Stromerzeugung Raumwärme- und Warmwassererzeugung PKW-Sektor Das entspricht 131Mt CO2 für AT+DE. Die mittleren sind Stromgestehungskosten sind 67Euro/MWh Folie 20 Wien, Totschnig,

21 Stromerzeugung 2050 Szenario -80% CO2 Folie 21 Wien, Totschnig,

22 100% Elektromobilität vs 100% ICE bei gleichem CO2 Limit -90% Emissionen(=65MtCO2) mit 100% ICE nicht machbar Bei 100% ICE : +20GW Wind Offshore +30GW PV Folie 22 Wien, Totschnig,

23 Einsparungen durch Elektromobilität bei -80% Ziel Unter den Szenarioannahmen dürfen Elektroautos ca mehr kosten als ICE-PKW damit sie im -80% Szenario kosteneffizient zum CO2 Ziel beitragen. -90% Szenario ohne Elektroautos bzw. alternative Antriebe nicht möglich! Folie 23 Wien, Totschnig,

24 Vergleich Kosten Strom&Wärme und PKW Im -80% CO Szenario: Der PKW Sektor (100% ICE) kostet das ca. 2-fache der Strom- und Wärmeerzeugung Definitionen: Kosten Strom+Wärme= Kosten der Erzeugungsanlagen und Brennstoffe. Die Investitonskosten sind mit 7% Zinnsatz über die Lebensdauer der Karftwerke (20-40 Jahre) abgeschrieben. Kosten PKW=Nettopreis Fahrzeuge+Brennstoffkosten (0.77 /Liter). Die Fahrzeugkosten sind mit 1.5 % Zinnssatz über 12 Jahre abgeschrieben. ICE small ICE medium ICE large Mittlere Kosten Nettopreis 12,562 21,855 51,244 31,338 ICE Anteile 28% 32% 41% Folie 24 Wien, Totschnig,

25 Einsparungen durch gesteuertes Laden Szenario: -80% Emissionen 2050, 100% E-PKW Stromkostenersparnis: Gesteuertes Laden mit häufigem Anstecken: 60 pro E-PKW & Jahr Gesteuertes Laden mit seltenem Anstecken: 51 pro E-PKW & Jahr Zusätzliche V2G bei BEV: 4.5 pro BEV und Jahr. Insgesamt 70 /a bei BEV Verlagerte Strommenge: Gesteuertes Laden 58 TWh Pumpspeicher 13 TWh Vergleichswerte: Wasserkraft Regelarbeitsvermögen AT+DE 60 TWh. Stromnachfrage 970 TWh DE+AT 2050 Folie 25 Wien, Totschnig,

26 Schlussfolgerungen Gesteuertes Laden führt zu einer gleichmäßigeren Fahrweise der thermischen Kraftwerke und reduziert den Pumpspeichereinsatz. Die Kostenersparnis durch strommarktgesteuertes Laden bei seltenem Anstecken an Ladesäule beträgt im vergleich zum sofortigen ungesteuerten Laden: 2030 (13% E-PKW): 23 pro E-PKW und Jahr. Insgesamt 148 Mio. /a 2050 (100% E-PKW): 51 pro E-PKW und Jahr. Insgesamt 1.8 Mrd. /a V2G nur bei BEV und zeigt eine geringe zusätzliche Stromkostenersparnis von 10 /a(2030)/4.5 /a(2050) pro BEV. Folie 26 Wien, Totschnig,

27 Schlussfolgerungen Sofortige ungesteuertes Laden erhöht maximale Stromlast 2050 um 16GW. 16GW gesicherte Leistung kosten 16 /a pro E-PKW. Die Verteilnetzsimulationen für EM+2030 Szenario zeigen, dass unter den gewählten Rahmenbedingungen weder bei gesteuerten noch bei ungesteuertem Laden die Netzkomponenten überlastet oder Spannungsgrenzen verletzt werden. Kosten für Übertragungsnetzausbau wurden nicht simuliert Statt Strommarktgesteuertes Laden könnte auch schnellstmögliches aber netzlimitiertes Laden eine Option sein. Folie 27 Wien, Totschnig,

28 ENDE Folie 28 Wien, Totschnig,

29 Ergänzungsfolien Folie 29 Wien, Totschnig,

30 Annahmen (Verbrauch ICE und Elektroautos) Folie 30 Wien, Totschnig,

31 Annahmen Benzin Preis 77 /Liter (ohne Steuern und Abgaben) Brennstoffpreise und Erneuerbaren Preise Folie 31 Wien, Totschnig,

32 Stromerzeugung 2050 Szenario -80% CO2 Folie 32 Wien, Totschnig,

33 2050 Szenario -80% CO2 Folie 33 Wien, Totschnig,

34 Stromerzeugung 2050 Szenario -80% CO2 Folie 34 Wien, Totschnig,

35 2050 Szenario -80% CO2 Folie 35 Wien, Totschnig,

36 Szenario Annahmen Österreich und Deutschland wird gemeinsam betrachtet Für DE: Brennstoffkosten und Kraftwerkskapazitäten laut Szenario B des Szenariorahmens für den Netzentwicklungsplan Für AT: Fortschreibung der thermischen Kapazitäten von PV als 2 fache des 2020 Ziels(Ökostromgesetz 2012). Wind 50% des realisierbaren Potentials 2030 (AuWiPot). Zunahme des Strombedarfs in DE+AT um 10% (Primes Ref. Szenario) GW Installierte Leistung 2030 AT DE Wind-Land Wind-OffSh 21.9 PV GuD Steinkohle Braunkohle 13.5 Preise 2030 Kohle Euro/MWh Braunkohle Euro/MWh 1.50 Erdgas Euro/MWh CO2 Preis Euro/tCO Folie 36 Wien, Totschnig,

37 Emobility Annahmen 30% der Autos die zur Arbeit fahren laden auch in der Arbeit. Bei 30% der Stops im öffentlichen Raum wird geladen. Annahme das Verteilnetz ist so ausgelegt das jeder Haushalt gleichzeitig mit 3 kw belasten kann. Diesem Verteilnetzlimit unterliegen die normale Haushaltslast, Emobility und Power to Heat. Simulation mit 100 repräsentativen Fahrprofilen für 6 Elektroauto Typen basierend auf Mobilitätserhebungen in Österreich und Deutschland EMOB+ Scenario: AT+DE small BEV-small 59, ,340 PHEV-small 96, ,269 mid-size BEV-medium 53, ,301 PHEV-medium 161,616 1,580,138 large BEV-large 1,677 65,625 PHEV-large 213,638 2,563,584 Total EV 586,629 6,370,257 Alle Autos 47,222,830 47,986,415 % 1% 13% Folie 37 Wien, Totschnig,

38 V2G Annahmen Laut Benedikt Lunz (V2G-Experte) der Gruppe von Prof. Dirk Sauer an der RWTH Aachen: Grob gesagt halten moderne Batterien Vollzyklen bei 100% Entladetiefe der nominellen Kapazität. Batteriealterung hängt von Vielzahl von Parametern ab. Z.B: der Temperatur, Spannung und Entladetiefe. Batterien altern auch wenn sie nicht genutzt werden. Annahme 12 Jahre kalendarische Lebensdauer. Für HiREPS Simulationen im Define Projekt: V2G ist möglich wenn die Vollzyklen nicht ausgeschöpft werden in den 12 Jahren. Folie 38 Wien, Totschnig,

39 Die simulierten Fahrprofile erlauben nur bei BEV einen V2G Betrieb. Annahme: V2G kann eingesetzt werden bei BEV bis 250 Vollzyklen pro Jahr erreicht sind. (250=3000/12) Folie 39 Wien, Totschnig,

40 Ergebnisse 2030 Läufe DE+AT Folie 40 Wien, Totschnig,

41 Gesteuertes Laden im Sommer Folie 41 Wien, Totschnig,

42 Gesteuertes Laden im Winter Folie 42 Wien, Totschnig,

43 Auswirkungen des Emob Szenarios auf DE+AT Emobilitätsstrombedarf 17.3 TWh V2G Stromabgabe 1.6TWh. Ladezyklen-Limit wird nicht erreicht bei BEV. Folie 43 Wien, Totschnig,

44 V2G Einspeisung über das Jahr Folie 44 Wien, Totschnig,

45 Auswirkungen des Emob Szenarios auf DE+AT Verlagerte Strommenge im Vergleich zum sofortigem Laden 12.6TWh Stromaufnahme der Pumpspeicher: 8.3 TWh bei sofortigem Laden 4.5 TWh bei gesteuertem Laden Kostenersparnis durch gesteuertes Laden 220 Mio /Jahr oder 34 pro Elektroauto und Jahr. Für die 100 verschiedenen Fahrprofile variiert die Kostenersparnis durch gesteuertes Laden zwischen 65 und 13 pro Elektroauto und Jahr. Kostenersparnis durch V2G 11 Mio /Jahr oder 9 pro BEV und Jahr. Für die 20 BEV Fahrprofile variiert die Kostenersparnis zwischen 13 und 6 pro BEV und Jahr Folie 45 Wien, Totschnig,

46 Maximaler Ladestrom bei gesteuertem Laden 17.4 GW Maximaler Ladestrom bei sofortigem Laden 7.6GW Maximale V2G Stromeinspeisung: 5.4GW Folie 46 Wien, Totschnig,