Solare Elektromobilität welches E-Auto fährt am besten mit der Sonne?

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1 Solare Elektromobilität welches E-Auto fährt am besten mit der Sonne? Martin Hofmann Rainer Hunfeld Steffen Lindemann Valentin Software GmbH Stralauer Platz 34 D Berlin Tel.: 030/ Fax: 030/ Internet: Die Elektro-Mobilität wird immer populärer. Allein in der EU wurden 2015 über neue Fahrzeuge mit Elektro-Antrieb zugelassen, Tendenz steigend (+7,1% in 2016 nach den aktuellsten Zahlen des ACEA). Damit die Elektromobilität aber auch erneuerbar und damit CO2-frei wird, müssen die Akkus der Fahrzeuge mit einem möglichst hohen Anteil an regenerativem Strom geladen werden. Dies bietet ein großes Marktpotenzial für die Erneuerbaren Energien, speziell für die Photovoltaik. In PV*SOL, dem Planungs- und Simulationstool für PV-Anlagen, ist es daher seit Version 2017 (Veröffentlichung am ) auch möglich, Elektro-Autos aus einer umfassenden Datenbank auszuwählen. Die Elektro-Autos können in PV*SOL zusammen mit PV-Anlagen, elektrischen Verbrauchern und Speicher-Systemen untersucht werden, um so herauszufinden, welches Modell am besten zum Abbildung 1. Neuzulassungen von E-Autos in der EU in Quelle:ACEA eigenen Nutzerverhalten oder dem des Kunden passt. Auch der solare Anteil an den gefahrenen Kilometern im Jahr wird als Ergebnis ausgegeben, ebenso wie der Gesamt-Energieverbrauch des Fahrzeugs oder Wirtschaftlichkeits-Berechnungen wie die spezifischen Fahrtkosten pro 100km mit und ohne PV.

2 In diesem Beitrag wollen wir an einem Beispiel-Haushalt in Lichtenfels zeigen, wie unterschiedlich sich die auf dem Markt erhältlichen E-Autos verhalten und wie sich die Benutzung der Fahrzeuge auf den solaren Anteil der gefahrenen Kilometer im Jahr auswirkt. Abbildung 2. Schema des untersuchten Systems aus PV-Anlage, Verbraucher, Netz, Elektro-Auto und Batterie-Speicher. Die PV-Anlage mit 6 kwp an 5,1 kw (AC) liefert 5945 kwh im Jahr. Der Verbrauch beträgt 3000 kwh / Jahr bei einer Spitzenlast von 0,8 kw. Der Batterie-Speicher ist mit 3 kw angeschlossen und stellt 4,7 kwh Speicherkapazität zur Verfügung. Der Beispiel-Haushalt mit 3000 kwh Verbrauch im Jahr hat eine 6kWp PV-Anlage auf dem Dach (30 Süd), die 5945 kwh produziert. Für eine Auswahl der über 70 Elektro-Autos aus der Datenbank von PV*SOL wurden zunächst die solaren Anteile an den gefahrenen Kilometern für drei verschiedene Nutzerszenarien untersucht: 1. 1 Fahrt / Tag: Der Nutzer verlässt morgens um 9h das Haus und kehrt um 18h mit dem Auto zurück Ganztägig berufstätig 2. 2 Fahrten / Tag: Der Nutzer verlässt morgens um 7h das Haus, kehrt um 12h zurück und verlässt das Haus nochmal für zwei Stunden am Nachmittag von 16 bis 17h Halbtags berufstätig, Kinder werden nachmittags zum Sport/Musikunterricht gefahren 3. 6 Fahrten / Tag: Der Nutzer verlässt 6 mal am Tag für eine Stunde die Firma Dienstliches Fahrzeug z.b. für Handwerker Als jährliche Fahrleistung wurden km angesetzt, was laut statista.de dem deutschen Durchschnitt von 2010 bis 2015 entspricht.

3 Die untersuchten Elektro-Fahrzeuge In PV*SOL sind zurzeit etwa 70 Elektro-Fahrzeuge verfügbar. Aus dieser Datenbank haben wir die folgenden Autos ausgewählt, die sich sowohl in der Ladeleistung ihrer Ladestation als auch in der Akku- Kapazität und dem berechneten sowie angegebenen Verbrauch unterscheiden. Der berechnete Verbrauch ergibt sich aus der angegebenen Reichweite nach NEFC und der Akku- Kapazität. Dabei ist dieser berechnete Wert nahezu immer geringer als der ausgewiesene Verbrauch. Da die tatsächliche Fahrleistung nicht überbewertet werden soll, wird in PV*SOL immer mit dem angegebenen (höheren) Verbrauch gerechnet. Es kann ohnehin davon ausgegangen werden, dass die Reichweite nach NEFC ein eher theoretischer Wert ist, der in der Praxis nur mit sehr sparsamem Fahren erreicht werden kann. Ladeleistung Akku- Kapazität Reichweite Verbrauch (berechnet) Verbrauch (angegeben) kw kwh km kwh / 100 km kwh / 100 km BMW i3 3,7 21, ,4 12,9 Citroen C-Zero 3, ,7 12,6 Kia Soul EV 6, ,7 14,7 Mercedes Benz B 250 e ,0 16,6 Mitsubishi i-miev 3, ,0 12,5 Nissan Leaf 24 3, ,1 15 Nissan Leaf 30 3, ,0 15 Peugeot ion 3, ,7 12,6 Renault Kangoo ,9 14 Renault Twizy , ,1 9 Renault Zoe ,2 13,3 smart fourtwo electric 3,2 16, ,2 12,2 Tesla Model S ,0 22 Tesla Model S ,6 22 Tesla Model X 70D ,0 21 VW e-golf 3,2 24, ,7 12,7 VW e-up 3,2 18, ,7 11,7

4 Fall 1: Ohne Batteriespeicher, nicht PV-optimiertes Laden In einer ersten Untersuchung wird angenommen, dass kein zusätzlicher Batteriespeicher zur Verfügung steht, um die PV-Energie speichern und bei Bedarf zur Ladung des Elektro-Fahrzeugs verwenden zu können. Das Ladeverhalten der Ladestationen erfolgt nicht PV optimiert, das heißt, dass die Ladung des Fahrzeugs mit voller Leistung einsetzt, sobald das Fahrzeug an der Ladestation ist und erst beendet wird, wenn der Speicher des Fahrzeugs voll ist. Die nachfolgenden Grafiken zeigen, mit welchen Fahrzeugen die höchsten solaren Anteile erreichbar sind und wie der solare Anteil von der Kapazität des E-Autos abhängt. Abbildung 3. Solarer Anteil an Jahres-Fahrleistung für verschiedene Nutzerprofile und Elektro-Autos. Simuliert wurde ohne zusätzlichen Batterie-Speicher und Ladetechnik Standard Der solare Anteil bei 1 Fahrt / Tag schwankt zwischen 20 % und knapp 40 %. Fahrzeuge mit hohem Verbrauch wie die Modelle von Tesla müssen dabei deutlich mehr mit Strom aus der Steckdose geladen werden als vergleichsweise sparsame Modelle wie von VW, smart oder Mitsubishi.

5 In erster Linie hängt der solare Anteil dabei vom Nutzerverhalten ab. Schon mit einer kurzen Zwischenladung mittags wie in Profil 2 Fahrten kann der solare Anteil erheblich gesteigert werden. Wie hoch der solare Anteil genau ist, hängt von folgenden Faktoren ab: 1. Verbrauch in kwh/100km. Je geringer der Verbrauch, desto höher wird der solar gefahrene Anteil an der Fahrleistung 2. Akkukapazität Je höher die Akkukapazität, desto höher wird der solare Anteil ausfallen 3. Ladeleistung Die Ladeleistung hat nur dann Einfluss auf den solaren Anteil, wenn sie deutlich zu klein ausfällt. Gängige Ladeleistungen von 3 bis 3,7 kw reichen dabei völlig aus. Eine Erhöhung der Ladeleistung führt nicht zu einem höheren solaren Anteil, sondern kann im Gegenteil sogar zu niedrigeren solaren Anteilen führen! Abbildung 4: Solare Fahrleistung nach Batteriekapazität für das Nutzerprofil 2 Fahrten/Tag In obenstehender Grafik wird deutlich, wie der solare Anteil auch von der Akkukapazität abhängt. Gute Modelle bewegen sich im Bereich 15 bis 25 kwh. Allerdings gibt es auch in dieser Spanne deutliche Unterschiede: Die Modelle Kangoo und Zoe von Renault haben jeweils 22 kwh Akkukapazität, liegen jedoch im solaren Anteil mit % deutlich unter den Modellen von VW, smart oder BMW. Grund

6 hierfür ist nicht etwa der höhere Verbrauch der Renault-Modelle: mit 13 und 14 kwh/100km liegen sie nur unwesentlich höher als die Vergleichsmodelle. Der Grund liegt in diesem Fall bei der höheren Anschlussleistung. Die Modelle von Renault werden mit 22 kw geladen, die Vergleichsmodelle VW e- up und e-golf, smart fourtwo und BMW i3 nur mit 3 bis 3,7 kw. Im Falle einer Ladung der Autobatterie aus dem Netz wird also bei Renault sofort sehr viel Energie in den Akku geladen. In einer Stunde schon bis zu 22 kwh. Damit bleibt im Anschluss kein Platz mehr für den Sonnenstrom. Bei den anderen Modellen hingegen bleibt noch genug Platz für eine anschließende Ladung mit Solarenergie aus der PV-Anlage. Dieser Effekt ist vor allem bei der Ladetechnik Standard zu beobachten. Bei der pv-optimierten Ladung (siehe nächster Fall) ist dies weniger ein Problem. Fall 2: Ohne Batteriespeicher, mit PV-optimiertem Laden Abbildung 5. Solarer Anteil an Jahres-Fahrleistung für verschiedene Nutzerprofile und Elektro-Autos. Simuliert wurde ohne zusätzlichen Batterie-Speicher und Ladetechnik PV-optimiert Beim PV-optimierten Laden wird das Fahrzeug nicht sofort mit voller Leistung geladen, sobald es wieder an der Ladestation ist. Stattdessen wird gewartet, bis Energie aus der PV-Anlage für die Ladung

7 zur Verfügung steht. Alle verfügbare Energie (nach Deckung der Last durch die Verbraucher im Haushalt) wird dabei zur Ladung des Autos verwendet. Limitiert wird die Ladung nur durch die Anschlussleistung der jeweiligen Ladestation. Mit Energie aus dem Netz wird erst dann geladen, wenn es nicht mehr anders geht. Das heißt, es wird zu jedem Zeitpunkt geprüft, ob die Zeit bis zur nächsten Abfahrt noch ausreicht, um das Fahrzeug zur Not aus dem Netz ausreichend voll laden zu können. Droht die Zeit knapp zu werden, wird schließlich aus dem Netz nachgeladen, wenn vorher nicht ausreichend Energie aus der PV-Anlage zur Verfügung stand. Auf diese Weise lässt sich der solare Anteil an der Fahrleistung deutlich erhöhen. Die Erhöhung ist umso größer, je geringer der solare Anteil im Fall 1 war. Eine Erhöhung des solaren Anteils auf über 90 % ist aber auch mit diesem Ladeverfahren nicht zu realisieren. Fall 3: Mit Batteriespeicher, Ladeverhalten Standard Abbildung 6. Solarer Anteil an Jahres-Fahrleistung für verschiedene Nutzerprofile und Elektro-Autos. Simuliert wurde mit zusätzlichem Batterie-Speicher und Ladetechnik Standard In diesem Fall wird zusätzlich zum Elektro-Fahrzeug noch ein Batterie-Speicher zum System hinzugefügt. In diesem Fall haben wir den IBC Solar SolStore M1 6.5 Li gewählt, einen AC-gekoppelten

8 Batterie-Speicher mit 3,3 kw Anschlussleistung und 4,7 kwh nutzbarer Batteriekapazität. Mit Hilfe des Speichers ist es möglich, Energie aus der PV-Anlage in den Zeiten zwischenzuspeichern, in denen das Auto gerade unterwegs und damit nicht an der Ladestation ist, um diese Energie dann später wieder zur Ladung des Elektro-Fahrzeugs verwenden zu können. Hierbei ist wichtig, dass eine übermäßige Ladung der Batterie aus dem Netz vermieden werden muss, um zu verhindern, dass das Auto über den Batterie-Speicher letztlich aus dem Netz geladen wird. Der Zugewinn an solarer Fahrleistung macht sich vor allem beim ersten Nutzerprofil 1 Fahrt / Tag bemerkbar hier liegen die solaren Anteile um mehr als 20 Prozentpunkte höher als ohne den Speicher. Bei den anderen Nutzerprofilen ist wie zu erwarten so gut wie kein Unterschied zu sehen, da hier das Auto ohnehin auch mittags an der Ladestation ist und dementsprechend von der PV-Anlage geladen werden kann. Fall 4: Mit Batteriespeicher, Ladeverhalten PV-optimiert Abbildung 7. Solarer Anteil an Jahres-Fahrleistung für verschiedene Nutzerprofile und Elektro-Autos. Simuliert wurde mit zusätzlichem Batterie-Speicher und Ladetechnik PV-optimiert

9 Im letzten Fall wird das PV-optimierte Laden in Kombination mit dem zusätzlichen Batterie-Speicher untersucht. Bei den Nutzerprofilen 2 und 3, also 2 Fahrten / Tag und 6 Fahrten / Tag ist dabei kaum ein Unterschied festzustellen zu den Fällen 2 und 3, in denen entweder das PV-optimierte Laden bereits angewendet oder der zusätzliche Batterie-Speicher schon vorhanden war. Die solaren Anteile an der Fahrleistung liegen hier durchweg zwischen 80 und 90 %. Beim ersten Nutzerprofil jedoch können die solaren Anteile durch die Kombination beider Maßnahmen teilweise erheblich gesteigert werden. Vor allem die Fahrzeuge mit hoher Batterie-Kapazität und hohem Verbrauch (z.b. die Modelle von Tesla) profitieren erheblich und erreichen solare Anteile von über 40%. Im Vergleich zu Fall 1 stellt dies eine Verdoppelung der solaren Fahrleistung dar. Bemerkenswert ist weiterhin, dass bei der Kombination der Maßnahmen der Unterschied zwischen den einzelnen Fahrzeug-Modellen wesentlich geringer ausfällt als ohne PV-optimiertes Laden oder den zusätzlichen Batterie-Speicher. Vergleich der Maßnahmen je Nutzerprofil Im Folgenden werden die Maßnahmen für jedes Nutzerprofil verglichen, um einen besseren Eindruck von ihrer Wirksamkeit zur Erhöhung des solaren Anteils zu gewinnen. Wie bereits erwähnt, sind die größten Auswirkungen im Nutzerprofil 1 1 Fahrt / Tag zu beobachten, da das Fahrzeug hier zwischen 9h morgens und 18h abends nicht an der Ladesäule steht. Allein das PVoptimierte Laden führt zu Erhöhungen des solaren Anteils von 5 Prozentpunkten bis zu über 20 bei Renault Twizy, der aufgrund der geringen Akku-Kapazität besonders davon profitiert, wenn dank des PV-optimierten Ladens noch ausreichend Platz für die PV-Energie gelassen wird. Die Einführung eines zusätzlichen Batteriespeichers führt nicht in allen Fällen zu einem höheren solaren Anteil als mit PV-optimiertem Laden. Allerdings kann der Anteil im Vergleich zum standardmäßigen Laden ohne Batterie-Speicher teilweise erheblich gesteigert werden. Die Kombination von PV-optimiertem Laden und Batterie-Speicher führt bei Modellen mit hohem Verbrauch und großem Akku zu Verbesserungen, während dieser Effekt bei kleineren Modellen ausbleibt.

10 Abbildung 8. Übersicht über die solaren Fahrleistungen bei 1 Fahrt / Tag. Abbildung 9. Übersicht über die solaren Fahrleistungen bei 2 Fahrten / Tag.

11 Abbildung 10. Übersicht über die solaren Fahrleistungen bei 6 Fahrten / Tag. Abbildung 11. Solarer Anteil an Fahrleistung bei 2 Fahrten / Tag. Hier wurden Akku-Kapazität und Verbrauch des Mitsubishi i-miev schrittweise variiert, um festzustellen, welchen Einfluss die beiden Größen auf den solaren Anteil haben. Je geringer der Verbrauch und je höher die Batterie-Kapazität, desto höher ist der solare Anteil an der Fahrleistung.

12 Fazit 1. Der solare Anteil hängt stark vom Nutzerprofil ab 2. Nicht nur die Akku-Kapazität ist entscheidend, sondern auch Ladeleistung und Verbrauch des Autos 3. Bei standardmäßigem Laden ohne zusätzliche Batterie ist der solare Anteil mit über 80% am größten bei folgenden Modellen: BMW i3 Citroen C-Zero Mitsubishi i-miev smart fourtwo el. Peugeot ion VW e-up und e-golf 4. PV-optimiertes Laden ist sinnvoll und kann den solaren Anteil an der Fahrleistung teilweise erheblich erhöhen 5. Mit Batterie-Speichern kann tagsüber PV-Energie gespeichert werden, um die Elektro-Fahrzeuge später zu laden. Auch hier kann sich der solare Anteil erheblich erhöhen 6. Eine Kombination von PV-optimiertem Laden und Batterie-Speicher führt zu einem maximalen solarem Anteil. Allerdings ist das Maximum nicht in allen Fällen spürbar größer als ohne Batterie- Speicher oder normalem Laden 7. Die genauen Ergebnisse hängen von vielen Faktoren ab. Um genau Bescheid zu wissen, muss simuliert werden.