AUSWIRKUNGEN ZUKÜNFTIGER ELEKTROMOBILITÄT

Transkript

1 11. Symposium Energieinnovation ALTE ZIELE NEUE WEGE AUSWIRKUNGEN ZUKÜNFTIGER ELEKTROMOBILITÄT AUF DIE ÖSTERREICHISCHE ELEKTRIZITÄTSWIRTSCHAFT Michael Zoglauer, Gernot Nischler, Christoph Gutschi, Wilhelm Süssenbacher, Stefan Otzasek, Heinz Stigler 1/23

2 Einleitung: Motivation Europaweite Fördermaßnahmen für Elektromobilität: Viele Pilotprojekte, Modellregionen und Flottenversuche Neue technische, regulatorische und organisatorische Herausforderungen Neue Wertschöpfungspotentiale und Entscheidungsfaktoren für Elektrizitätsunternehmen, Industrie, Dienstleister und Forschung 2/23

3 Inhalt des Vortrages Modellbeschreibung Szenarioergebnisse Extremfallbetrachtung Herausforderung für Verteilernetzbetreiber t t ib Laststeuerung und Abrechnungssysteme Diskussion Vehicle-to-Grid Schlussfolgerungen und Ausblick 3/23

4 Modellablauf Eingangsparameter des Modells (E-Fahrzeugtypen und spez. Parameter, Lastgang im öffentlichen Netz, Ladekurve Batterien, Bestandsentwicklung PKW, Mobilitätsverhalten ) Szenariodefinition (Ausnutzung des Marktpotenzials pro Jahr und Typ, Ladestrategie, Bedarfsanstieg ohne E-Fahrzeuge, Stromaufbringungsmix, ) Ergebnisse Summenlastgang im öffentlichen Netz CO 2 -Einsparung kumuliertes und jährliches Einsparungspotential Jahre 4/23

5 Szenarioergebnisse rund E-Fahrzeuge im Jahr Plug-In Hybride sportliche E-Autos sparsame E-Autos jährlicher h Stromverbrauch 2020: 121 GWh rund 0,2 % des prognostizierten Strombedarfs 2020 jährliches CO 2 -Einsparungspotential Ökostrom: t CO2 /a Österreich-Mix (2008): t CO2 /a UCTE-Mix (2008): t CO2/a 5/23

6 12 Lastgang g im ungesteuerten Fall (realisierbares Szenario, 4. Woche im Jänner 2020) 10 8 Le eistung in GW 6 4 Ladeleistung für Elektromobilität 2 Lastgang im öffentlichen Netz Zeit [h] 6/23

7 12 Lastgang g im ungesteuerten Fall (realisierbares Szenario, 4. Woche im Jänner 2020) 10 8 Le eistung in GW Ladeleistung für Elektromobilität Summenlast Lastgang im öffentlichen Netz Zeit [h] 7/23

8 Lastprofil und Beginnzeit nach Wegzweck 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0, ,01 0 4,5% 4,0% 3,5% 30% 3,0% 2,5% 2,0% 1,5% 1,0% 0,5% 0,0% Werktag Winter Werktag Sommer Freizeit Arbeitsplatz Datenquelle: Herry Consult (2007), Verkehr in Zahlen, BMViT und APCS (2009), Standardlastprofil H0 8/23

9 Lastgang g im gesteuerten Fall (Maximalszenario 20% E-PKW in 2020, 4. Woche im Jänner 2020) Leistung in GW Lastgang im öffentlichen Netz Ladeleistung für Elektromobilität Summenlast Zeit [h] 9/23

10 Extremfall-Szenario 100 Haushalte mit 100 Elektrofahrzeugen (Plug-In Hybride und reine E-Autos) Fall A: gemeinsamer Ladebeginn mit der Rundsteuerung der Warmwasserboiler Fall B: zusätzliche Laststeuerungsmöglichkeiten Ziel: Verhindern einer Überschreitung der Anschlussleistung 10/23

11 Extremfall-Szenario (Fall A) Ladeleistung für Elektromobiltät Haushalt (Profil H0) Warmwasser Auslegungsgrenze nach TAEV Leistung [kw] Zeit[h] 11/23

12 Extremfall-Szenario (Fall B) Ladeleistung für Elektromobiltät Haushalt (Profil H0) Warmwasser Auslegungsgrenze nach TAEV Leistung [kw] Zeit[h] 12/23

13 Laststeuerungsmöglichkeiten Rundsteuerung Tonfrequenzrundsteuerung (TFR) Funk-Rundsteuerung Smart Metering Laststeuerung über Schaltgeräte Laststeuerung durch entsprechende Preisgestaltung 13/23

14 Aufstellungsort der Ladestation Aufladung zu Hause: Nachtladung, Beginn nach der Abendspitze Aufladung am Arbeitsplatz: Ladung tagsüber mit unterschiedlicher Ladedauer Ziel: Vermeiden zusätzlicher Lastspitzen Aufladung an öffentlichen Plätzen: Ladung tagsüber mit unterschiedlicher Ladedauer Schnellladung verkürzt Batterielebensdauer 14/23

15 Anschlussleistung und Ladekonzepte Normale Ladung 3,7 kw(1~) bevorzugt für Ladung über Nacht Vorteile: schonend für die Batterie Nachteil: lange Ladezeiten Beschleunigte Ladung 7,4 kw (1~) bis 11,1 kw (3~) und Schnellladung 11,1 kw (3~) negative Auswirkung auf Zyklenfestigkeit derzeitiger Batterien externe Ladeeinheit notwendig Kostenfaktor im vgl. zu geringer Nutzungsdauer derartiger Stationen 15/23

16 Vergleich Investitionskosten Ladestationen P reise der Ladestat tion in Eu uro ,68kW (ohne Intelligenz) 3,68kW (mit Intelligenz) 7,68kW (ohne Intelligenz) 11,09kW 22,17kW 3,68kW (Prototyp) 7,26kW (mit Intelligenz) 0 3,68 7,36 11,04 14,72 18,4 22,08 Anschlussleistung in kw 16/23

17 Normung und Standardisierung ISO und IEC 08. Februar 2010: gemeinsames Positionspapier Deutschland und Frankreich bezüglich: Ladestecker und Ladekabel Schutzkonzept der Ladestation Kommunikation und EMV Zählung und Abrechnung Roamingkonzept Ziel: europaweite Standards Quelle: MENNEKES (2010) und VDA (2010) 17/23

18 Abrechnungssysteme Stromrechnung Pauschalverrechnung od. Prepaid-Variante Mobiltelefon Quick-Terminal Maestro-, Kredit- oder Bankomatkasse FAZIT: kostengünstige und kundenfreundliche Abrechnungssysteme sind erforderlich 18/23

19 Vehicle-to-Grid (V2G) Vergleich unterschiedlicher Energiespeichermöglichkeiten über die sog. Zykluskosten möglich Lithium-Ionen: 400 /MWh/Zyklus NiMH: 360 /MWh/Zyklus Erweiterung best. (Pump-)Speicher: /MWh/Zyklus 19/23

20 Zykluskosten Quelle: ESA (2009) 20/23

21 weitere Nachteile von V2G Einspeisung in das öffentliche Netz als dezentrale Erzeuger erfordert eine entsprechende Zählung (Nutzeridentifikation) Auswirkungen auf zyklische Lebensdauer derzeit verfügbarer Batterien zusätzliche Einschränkung der Reichweite keine sichere Bestimmung der verfügbaren Leistung 21/23

22 Schlussfolgerungen Erfolgsfaktoren für Elektromobilität: zukünftige Batterieentwicklung kostengünstige Ladeinfrastruktur kostengünstige und kundenfreundliche Abrechnungssysteme Schlussfolgerungen aus Simulation: Energiebedarf der E-Fahrzeuge bewältigbar jedoch Maßnahmen zur Laststeuerung notwendig V2G derzeit nicht konkurrenzfähig zu Pumpspeicherkraftwerken 22/23

23 Ausblick und Innovationspotential Effizienzsteigerung i i der Mobilität Reduktion der Emissionen durch Mobilität Individuelle Mobilität Emissionsfreiheit vor Ort Neue Herausforderungen und neue Wertschöpfungspotentiale Neue Entscheidungsfaktoren für Elektrizitätsunternehmen Industrie Forschung und Dienstleistungsunternehmen 23/23

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 24/23

25 modellierte Batterieladekurven Lade eleistung [W] ,0 05 0,5 10 1,0 15 1,5 20 2,0 25 2,5 30 3,0 35 3,5 40 4,0 45 4,5 50 5,0 Zeit [h] Simulierte Ladekurve bei einer Entladetiefe von 80 % IUa-Ladeverfahren mit: 30 kwh Kapazität Ladung 3~ 150 W Abschaltschwelle Simulierte Ladekurve bei einer Entladetiefe von 20 % Lade eleistung [W] ,0 05 0,5 10 1,0 15 1,5 20 2,0 25 2,5 30 3,0 35 3,5 40 4,0 45 4,5 50 5,0 Zeit [h] 25/23

26 Potenzialausnutzung bis 2020 ausgen nützes Ma arktpoten nzial [%] 25 Plug-In-Hybrid Typ 1 20 Elektroauto Typ 2 Elektroauto t Typ /23

27 CO 2 -Einsparungen im realisierbaren Szenario 600 UCTE-Mix jährlich UCTE-Mix kumuliert -Einsparu ung in [ t] Ökostrom jährlich Österreich-Mix jährlich Ökostrom kumuliert Östereich-Mix kumuliert CO /23

28 Szenarienübersicht 28/23

29 Aufbau der Ladeinfrastruktur Quelle: VCÖ /23

30 Anschlussleistung und Ladekonzepte (2/2) Lade zustand der Batte rie [%] 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 3,68 kva 7,36 kva 11,09 kva 22,17 kva Ladezeit [h] Ladezeit um einen bestimmten Ladezustand einer Li-Ionen Batterie zu erreichen, in Abhängigkeit it der Anschlussleistung l (Ladeeffizienz i 85 %, Batteriekapazität ität 25 kwh) 30/23

31 notwendiger Strompreiszuschlag zur Erwirtschaftung der Investitionskosten St trompreis szuschlag [cent/kw Wh] Anschaffungskosten 3000 Anschaffungskosten Ladezeit [h/d] 31/23

32 Normung und Standardisierung (1/2) Normen IEC :2001 (ÖNORM EN :2002) 1 (ÖNORM EN /AC1:2003) IEC :2001 (ÖNORM EN :2002) IEC :2001 (ÖNORM EN :2002) IEC :2003 (ÖNORM EN :2004) DIN CLC/TS :2008 VORNORM DIN CLC/TS :2008 VORNORM IEC Ed.2 (Part 1,21 und 22) IEC Ed.1 Titel der Norm Elektrische Ausrüstung von Elektro-Straßenfahrzeugen Konduktive Ladesysteme für Elektrofahrzeuge Teil 1: Allgemeine Anforderungen Elektrische Ausrüstung von Elektro-Straßenfahrzeugen Konduktive Ladesysteme für Elektrofahrzeuge Teil 2-1: Anforderung eines Elektrofahrzeuges für konduktive Verbindung an AC/DC-Versorgung Elektrische Ausrüstung von Elektro-Straßenfahrzeugen Konduktive Ladesysteme für Elektrofahrzeuge Teil 2-2: Wechselstrom-Ladestation t ti für Elektrofahrzeuge Stecker, Steckdosen, Fahrzeugsteckvorrichtungen und Fahrzeugstecker Ladung von Elektrofahrzeugen Teil 1: Leitungsgebundenes Laden von Elektrofahrzeugen bis 250 A Wechselstrom und 400 A Gleichstrom Konduktive Ladung von Elektrofahrzeugen Teil 1: Gleichstrom-Ladestation Konduktive Ladung von Elektrofahrzeugen Teil 2: Kommunikations-protokoll t k zwischen externem Ladegerät und Elektrofahrzeug Laufende Norminitiative (Stecker) 2Q2010 Laufende Norminitiative (Kommunikation) 32/23

33 Abrechnungssysteme (2/2) Kosten Datenübertragung Kapitalkosten Afa Kos sten in Ce ent/kwh Verrechnungskosten Koste en in /a 0 0 Maestrokarte Kreditkarte Quick Mobiltelefon 16 h pro Tag (= 4 Ldgen./d), 230 d/a, 2 kw Ladeleistung 33/23

34 Vergleich E-Auto mit Diesel-Fahrzeug Kraftstoffkosten Wartungskosten annuitätische Kapitalkosten Fixkosten Nebenkosten annuitätische Batteriekosten TH!NK City VW Fox /23

35 Nickel-Metallhydrid (NiMH) Batterietechnologien (1) + gute Leistungsdichte (Einsatzbereich: Hybridfahrzeuge) + hohe Betriebssicherheit empfindlich gegen Überladung hohe Selbstentladung relativ geringe Zellspannung und damit geringe Energiedichte Kosten: Quelle: Vergels. (2005) et. al. 30 kwh Batterie: /kwh (2004) /kwh (2012) 1,2 kwh & 40 kw: /kw (2004) /kw (2004) 35/23

36 Batterietechnologien (2) Lithium-Ionen Batterie + hohe Zellspannung (Einsatzbereich: reine Elektrofahrzeuge) + hoher energetischer Nutzungsgrad + geringe Selbstentladung hohe Streuung bei der Zyklenfestigkeit geringe Lade- und Entladeströme Überladungsproblematik Kosten: 30kWh Batterie: /kwh (2008) /kwh (2012) Quelle: BERR Departement of Transport. (2008) et.al. <300 /kwh (2020, Stück/Jahr) 36/23

37 Batterietechnologien (3) Natrium-Nickelchlorid Nickelchlorid Batterie (ZEBRA) + hohe Zyklenfestigkeit + geringe g Materialkosten geringe spezifische Leistung hohe Betriebstemperaturen ( C) Lithium-Titanat Batterie + hohe Zyklenfestigkeit + hohe Lade- und Entladeraten (schnelle Ladung) + hohe Leistungsdichte geringe Zellspannung, d.h. geringe Energiedichte hohe Kosten (>1000 /kwh) Quelle: Gotcher (2006). 37/23

38 Vergleich Batterietechnologien NiMH ZEBRA Li-Ionen LiFePO 4 d Li-Polymer Li-Titanat spez. Energie e [Wh/kg] 50 bis bis bis bis bis 90 Energiedichte e [Wh/l] 200 bis bis bis bis 400 ca. 80 spez. Leistung e 10 bis 200 bis 150 bis 190 [W/kg] bis bis Leistungsdichte e [W/l] ca bis 290 ca ca Zellspannung [V] 1,2 2,6 3,4 bis 4,2 c 3,3 bis 3,4 3,7 2,0 bis 2,5 Selbstentladung [% pro Monat] Zyklen Temperaturbereich [ C] bis 10 bis bis 500 bis ca bis ca > bis bis +50 b -20 bis bis bis +40 a -50 bis +75 a bei GEL-Elektrolyten. Bei festen Elektrolyten muss die Betriebstemperatur mindestens 60 bis 70 C betragen (abhängig vom Elektrolyt). b Betriebstemperatur: 250 bis 300 C c abhängig vom Aktivmaterial der positiven Elektrode d Werte der Süd-Chemie e bei den Angaben handelt es sich nicht um theoretische Werte sondern um in der Praxis erreichbare Größen. 38/23

39 Ragone-Diagramm Batterien Quelle: Kalhammer (2007) 39/23

40 evtl. Back-Up Folien 40/23