Studie für ein städteübergreifendes Energieversorgungssystem zur Betreibung von Elektrobussen in Thüringen

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1 Studie für ein städteübergreifendes Energieversorgungssystem zur Betreibung von Elektrobussen in Thüringen Fachtag Elektromobilität Erfurt, 04. Juli 2014 Dr. Peter Bretschneider; Falk Schaller Fraunhofer IOSB, Institutsteil Angewandte Systemtechnik IOSB-AST Tel. +49 (0) Folie: 1

2 Übersicht Aufgabenstellung Untersuchungsrahmen Untersuchungen Zusammenfassung Folie: 2

3 Übersicht Aufgabenstellung Untersuchungsrahmen Untersuchungen Zusammenfassung Folie: 3

4 Aufgabenstellung Schwerpunkte Konzeption des Energieversorgungssystems zur Beladung von E-Bussen Optimale Strombereitstellung aus erneuerbaren Energien (z.b. Photovoltaik, Wind ) und umweltfreundlichen Energien (KWK) unter Beachtung der ökonomische und ökologischen Randbedingungen sowie städtebaulichen Gegebenheiten Optimale Dimensionierung ggf. erforderlicher stationärer Energiespeicher Wirtschaftliche Bewertung der Untersuchungsergebnisse Prüfung rechtlicher Rahmenbedingungen Projektbearbeitung durch: Folie: 4

5 Energiewirtschaft Energiesystem Aufgabenstellung Energiesystemtechnische und energiewirtschaftliche Einordnung Vorgelagertes Netz Örtliches Netz (EF, G, GTH, J, NDH) Netz des ÖPNV (EF, G, GTH, J, NDH) G Kraftwerke G KWK G Wind G PV G? KWK Erdgas G KWK Biogas? G? G?? Wind PV Speicher G PV?? Speicher Bedarf E-Buslinie Örtlich erzeugter Ladestrom des örtlichen EVU / BKV (z.b. EE-, KWK-Strom, Direktvermarktung) Ladestrom über Eigenstromlösung Entwicklungen des EEG? Ladestrom als Strombezugsmix über örtliches EVU / BKV (Bezug von örtlich erzeugtem Strom und vom Energiemarkt) Örtlich erzeugter Ladestrom des örtlichen EVU / BKV und des ÖPNV (z.b. EE-, KWK-Strom, Direktvermarktung) Ladestrom als Strombezugsmix über Energiemarkt / BKV (Börse, OTC, Kraftwerke, EE, KWK) Städteübergreifender Bilanzkreis Folie: 5

6 Aufgabenstellung Energieversorgung für folgende ausgewählte Buslinien Stadt Linie Länge (Umlauf) Fahrzeuganzahl Höhendifferenz Taktung (Hauptzeit ) Fahrzeuge Erfurt 9 6x 14,1 km 37 m 10 Min Gera 17 3x 26,9 km 80 m 30 Min Gotha A 6x 24 km 50 m 15 Min Jena 13 5x 10,6 km 50 m 10 Min Nordhausen A 5x 17,4 km 45 m 20 Min 18 m Gelenkzug 12 m Solobus Folie: 6

7 Übersicht Aufgabenstellung Untersuchungsrahmen Untersuchungen Zusammenfassung Folie: 7

8 Ermittlung des erschließbaren ÖPNV-nahen PV- Potentials je Stadt Berechnung E-Buslinien- Jahreslastgang Simulation / Optimierungsrechnung Sz01 bis Sz04 für Erfurt; Sz05 und Sz06 je Stadt und Sz05 für Bilanzkreis Auswertung und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für verschiedene Ausgleichstechnologien Sz01 bis Sz04 für Erfurt; Sz05 und Sz06 je Stadt und Sz05 für Bilanzkreis Untersuchungsrahmen Vorgehensmodell Szenarien Sz01: EV PV + EES für E PV =E E-Buslinie Sz02: EV PV + EES für P PV-max Sz03: SZ01 + DV Wind, PV + EES Stadt Sz04: Sz02 + DV Wind, PV + EES Stadt Sz05: Optimale Dimensionierung Wind, PV, EES SZ06: EEG-Vergütung Bus-Anzahl je Linie und Fahrplan AGI: Tageslastgang E-Bus je Linie für -20 C, 0 C, 15 C, 40 C Jahreslastgang der E-Buslinie AG I: Kosten für Diesel- und E-Bus Auswertung der Ergebnisse Sz01 bis Sz04 für Erfurt Jahrestemperaturverlauf Optimale Leistungsgröße für Wind-, PV- und EES-Größe je Stadt und Bilanzkreis Kostenanalyse Dieselbus Kostenanalyse E-Bus Städtebauliche Informationen je Stadt Geographische Informationen Je Stadt PV-Peak- Leistung je Stadt EEG-Vergütung je Stadt und Bilanzkreis Kostenanalyse E-Buslinie mit städtespez. EE-Anlagen Kostenanalyse E-Buslinie mit städtespez., umweltfreundl. Energieerzeugung Einspeisegang Photovoltaik je Stadt Kostenanalyse E-Buslinie mit städtespez. EE-Anlagen und Speicher Einspeisegang Wind je Stadt Folie: 8

9 Untersuchungsrahmen Spezifikation Systemgrenzen Städtespezifische Erzeugungsanlagen Unterschiedliche Speichertechnologien Eingangsgrößen Jahreslastprofil der E-Bus-Linie der jeweiligen Stadt Normierte PV-Einspeisung der jeweiligen Stadt Normierte Windeinspeisung der jeweiligen Stadt Untersuchungsjahr Kalenderjahr 2012 Zeitraster 15 Minuten Folie: 9

10 Untersuchungsrahmen Kriterien für die Ermittlung des erschließbaren PV-Potentials Direkteinspeisung an Netz-Verknüpfungspunkten Entfernung zu geeignetem Einspeisepunkt Netzeinspeisung als EEG-Anlage Städtebauliche Lage der Flächen (z.b. Altstadt ) Zulässigkeit zu (partiellen) Be-/Überbauungen ( Carport-Lösung ) Zustimmung zu (partiellen) Be-/Überbauungen ( Carport-Lösung ) Mindestanlagengröße 200 kwp Baumbestand Verschattungen durch Bebauung Oberleitungen / Abspannungen von Fahrleitungen Flächen für Systemtechnik Realisierbarkeit Kabelwege Besondere Sicherung der Anlagen gegen Beschädigung/Vandalismus Wirtschaftlichkeit Folie: 10

11 Übersicht Aufgabenstellung Untersuchungsrahmen Untersuchungen Zusammenfassung Folie: 11

12 Untersuchungen Erschließbares städtisches PV-Potential je Stadt und Bilanzkreis Stadt P Peak [kwp] E PV [kwh/a] Erfurt 2.765, ,00 Gera 3.064, ,00 Gotha 390, ,00 Jena 463, ,00 Nordhausen 2.076, ,00 Bilanzkreis 8.758, ,00 Folie: 12

13 Untersuchungen Ermittelte Werte für Leistung und Jahresenergie je E-Buslinie Stadt P Max-Buslinie [kw] E Buslinie [kwh/a] Erfurt 537, ,00 Gera 343, ,00 Gotha 699, ,00 Jena 446, ,00 Nordhausen 482, ,00 Bilanzkreis 2.093, ,00 Folie: 13

14 Untersuchungen Simulierter Jahreslastgang der jeweiligen E-Buslinie Folie: 14

15 Erlös Kosten Untersuchungen Durchschnittliche Jahresenergiekosten für E- und Diesel-Bus-Betrieb inklusive Second-Life-Batterie-Nutzung , , , , , , , ,00 0, ,00 Erfurt Gera Gotha Jena Nordhausen SLV mit 0 % EV EE (PV+WKA) mit 50% EV EE (PV+WKA+ KWK-BHKW) mit 100% EV EE + Speicher mit 80% EV Dieselbus Folie: 15

16 Erlös Kosten Untersuchungen Durchschnittliche Kosten für Fahrzeuge und Infrastruktur ohne Energieversorgung inklusive Second-Life-Batterie-Nutzung , , , , , , , ,00 0,00 Erfurt Gera Gotha Jena Nordhausen E-Bus Standard-Nutzung Second-Life-Batterie-Nutzung Dieselbus Folie: 16

17 Erlös Kosten Untersuchungen Durchschnittliche Jahresgesamtkosten von E- und Dieselbus-Betrieb inklusive Second-Life-Batterie-Nutzung , , , , , , , , ,00 0,00 Erfurt Gera Gotha Jena Nordhausen E-Bus: SLV mit 0 % EV E-Bus: EE (PV+WKA) mit 50% EV E-Bus: EE (PV+WKA+ KWK-BHKW) mit 100% EV E-Bus: EE + Speicher mit 80% EV Dieselbus Folie: 17

18 Untersuchungen Auswertungen bzgl. Energieeffizienz und CO 2 -Emission Stadt Jahresenergiebedarf Energieeffizienzsteigerung E-Busbetrieb CO2-Emission EE + BHKW (100% EV) EE + Speicher (80% EV) EE + BHKW (100% EV) EE + Speicher (80% EV) kwh %/Buslinie t/a % D-Busbetrieb kwh/a/ Buslinie (Bezogen auf Buslinie, ohne Beachtung der Effizienz der Energiebereitstellung) CO2-Emissionsreduktion Jahresenergiebedarf CO2- Emission t/a Erfurt Gera Gotha Jena Nordhausen Folie: 18

19 Übersicht Aufgabenstellung Untersuchungsrahmen Untersuchungen Zusammenfassung Folie: 19

20 Zusammenfassung Energieversorgungssystem zur elektrischen Beladung von E-Bussen wurde in mehreren Varianten untersucht. Die erschließbaren ÖPNV-nahen Photovoltaik-Potentiale wurden identifiziert. Die Dimensionierung der EE-Anlagen und elektrischen Energiespeicher wurde für die verschiedenen Varianten und deren Randbedingungen mittels Optimierung berechnet. Die Untersuchungsergebnisse wurden wirtschaftlich bewertet. Der E-Bus-Ansatz ist mit höheren Investitionskosten und niedrigeren Treibstoffkosten ermittelt. Es ergibt sich eine Steigerung der Energieeffizienz (Endenergiesektor) aufgrund des effizienteren Elektromotorantriebes und des Rekuperationsvermögens. Der Energieversorgungsansatz mit lokalen erneuerbaren und umweltfreundlichen Energien erschließt regionale Wertschöpfungspotenziale und steigert die Unabhängigkeit gegenüber internationalen Energieimporten. Es kann ein signifikanter Beitrag zur Reduzierung von CO 2 -Emmissionen aufgezeigt werden. Der Ansatz der Second-Life-Nutzung von Elektro-Bus-Batterien erschließt weitere Kostensenkungspotentiale. Folie: 20

21 Ansprechpartner Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer IOSB, Institutsteil Angewandte Systemtechnik Am Vogelherd Ilmenau Abteilung Energie Leitung: Dr.-Ing. Peter Bretschneider Tel.: +49 (0) Folie: 21