Auswirkungen zukünftiger Elektromobilität auf die österreichische Elektrizitätswirtschaft Marktrelevante Themen
Auswirkungen zukünftiger Elektromobilität auf die österreichische Elektrizitätswirtschaft erstellt durch Prof. DI Mag. Dr. Heinz Stigler DI Dr. Christoph Gutschi DI Gernot Nischler DI Wilhelm Süßenbacher DI Stefan Otzasek Institut für Elektrizitätswirtschaft und Energieinnovation der Technischen Universität Graz Inffeldgasse 18 8010 Graz www.iee.tugraz.at Stigler@tugraz.at Graz, April 2010 im Auftrag von Oesterreichs Energie in Zusammenarbeit mit
Inhaltsverzeichnis 1. Zusammenfassung... 1 1.1 Batterietechnologien... 1 1.2 Herausforderungen an Verteilernetzbetreiber... 1 1.3 Modellierung des Strombedarfs für Elektromobilität und der Auswirkungen auf die Elektrizitätswirtschaft anhand verschiedener Entwicklungsszenarien... 4 1.4 Möglichkeiten der Lastbeeinflussung... 5 1.5 Abrechnungssysteme... 6 1.6 Herausforderungen an Stromerzeuger und Vertrieb... 7 1.7 Weitere Aspekte der Elektromobilität... 7 2. Energiespeichertechnologien für den Einsatz in der Elektromobilität... 8 2.1 Funktionsweise, Nenn- und Betriebsgrößen einer Batterie... 8 2.1.1 Energie und Nennkapazität... 9 2.1.2 Nennspannung...10 2.1.3 Laderate und Entladerate (C-Rate)...10 2.1.4 Energiedichte und spezifische Energie...10 2.1.5 Leistungsdichte und spezifische Leistung...10 2.1.6 Nominale Spannung und Zellenspannung...10 2.1.7 Entladeschlussspannung...10 2.1.8 Innenwiderstand...11 2.1.9 Zyklenfestigkeit und Lebensdauer...11 2.1.10 Batterienutzungsgrad und Ladefaktor...12 2.2 Derzeit eingesetzte Batterietypen und abschließender Vergleich...13 2.2.1 Nickel-Metallhydrid Batterie...13 2.2.2 Natrium-Nickelchlorid Batterie...16 2.2.3 Lithium-Ionen Batterie...17 2.2.4 Lithium-Polymer Batterie...22 2.2.5 Lithium-Titanat Batterie...23 2.2.6 Gegenüberstellung und abschließender Vergleich der Batterietechnologien...24 2.3 Doppelschicht-Kondensatoren als Speicher in der Elektromobilität...26 2.4 Entwicklung neuer Batterietechnologien...27 2.5 Laden von Batterien für Elektrofahrzeuge...29 2.5.1 Ladeverfahren von Nickel-Metallhydrid Batterien...29 2.5.2 Ladeverfahren von Lithium-Ionen Batterien...29 2.5.3 Auswirkungen von Schnellladung auf Batterien...30 3. Herausforderungen für Verteilernetzbetreiber... 32 3.1 Aufstellungsort der Ladestation...33 3.2 Ladekonzepte und Anschlussleistung...35 3.2.1 Anschlussleistung der Ladestation und damit einhergehende Ladekonzepte...35 3.3 Normung und Standardisierung...40 3.4 Investitionserfordernisse für die Errichtung von Ladestationen...45 -II-
3.5 Geografische Verteilung der Ladeinfrastruktur...51 3.6 Anforderung an die Sicherheit der Ladestation...52 3.7 Ladeeinheit der Batterie...53 4. Allgemeine Grundlagen zu Elektrofahrzeugen... 56 4.1 Derzeitiger Fahrzeugbestand...56 4.2 Allgemeines zu Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen...56 4.2.1 Elektrofahrzeuge...56 4.2.2 Hybridfahrzeuge...58 4.2.3 Plug-In-Hybridantrieb...60 4.2.4 Leistungsbedarf eines Fahrzeuges...63 4.2.5 Verbrauchscharakteristik von konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschine...66 4.2.6 Verbrauchscharakteristik von Elektrofahrzeugen...66 4.2.7 Verbrauch von Hybridfahrzeugen...67 4.3 Marktübersicht über ausgewählte Elektro- und Plug In Hybrid- Fahrzeuge...68 4.3.1 CityEL...68 4.3.2 NICE Mega City...69 4.3.3 NICE Ze-O...69 4.3.4 Tesla Roadster...69 4.3.5 Twike...70 4.3.6 Plug-In-Hybridauto BYD F3DM...70 4.4 Kostenvergleich zwischen Elektrofahrzeug und konventionellem Dieselfahrzeug...71 4.5 Pedelec und Elektrofahrräder...73 4.6 Kurz- und mittelfristiges Marktpotenzial der Elektromobilität...74 4.6.1 Marktpotenzial für Elektroautos...74 4.6.2 Marktpotenzial für Plug-In-Hybridautos...74 5. Modellierung des Strombedarfs für Elektromobilität und der Auswirkungen auf die Elektrizitätswirtschaft... 76 5.1 Eingangsvariablen des Simulationsmodells...76 5.2 Ergebnisse des Simulationsmodells...76 5.3 Daten der zugrunde gelegten Fahrzeugtypen...77 5.3.1 Typ 1 Plug-In-Hybridauto...77 5.3.2 Typ 2 Sportliches Elektroauto...77 5.3.3 Typ 3 Sparsames Elektroauto...77 5.4 Bestandsentwicklung...78 5.4.1 Gesamtbestand an PKW...78 5.4.2 Entwicklung der Anzahl der Elektrofahrzeugtypen im Modell...78 5.5 Stromverbrauch der Fahrzeuge...79 5.6 Modellierung des Batterieladestromes...79 5.6.1 Einzelfahrzeuge...79 5.6.2 Fahrzeugflotten mit unterschiedlicher täglicher Fahrzeugnutzung...81 5.6.3 Beispiele für modellierte Ladekurven...81 5.7 Verteilungen der täglichen Wegstrecken im Fahrzeug...83 -III-
5.8 Lastgang der Ladeleistung...85 5.9 Summenlastgang...86 5.10 Extremfallbetrachtung...87 5.11 CO 2 -Einsparung...89 5.11.1 Berechnung des maximalen Einsparungspotenzials...89 5.11.2 Berechnung der Emissionen durch den Kraftstoffverbrauch des Typs 1...91 5.11.3 Berechnung der Emissionen durch den zusätzlichen Stromverbrauch...91 5.11.4 Abschätzung der Netto-Emissionseinsparung...94 6. Entwicklungsszenarien des Strombedarfs für Elektromobilität... 95 6.1 Allgemeine Annahmen...96 6.2 Szenario realistischer Zuwachs...97 6.2.1 Ungesteuerte Ladung...98 6.2.2 Gesteuerte Ladung... 100 6.2.3 Schlussfolgerung aus dem Szenario realistischer Zuwachs... 101 6.3 Szenario 20 % in 2020... 101 6.3.1 Ungesteuerte Ladung... 103 6.3.2 Gesteuerte Ladung... 105 6.3.3 Schlussfolgerung aus dem Szenario 20 % in 2020... 106 6.4 Fortführung des Szenarios 20 % in 2020... 107 6.4.1 Ungesteuerte Ladung 2030... 109 6.4.2 Gesteuerte Ladung 2030... 110 6.4.3 Schlussfolgerung des fortgeführten Szenarios 20 % in 2020... 112 6.5 Szenarienübersicht... 112 6.6 Extremfallbetrachtung: mögliche Auswirkungen auf das Verteilernetz... 113 6.6.1 Ergebnisse der Extremfallbetrachtung... 114 6.6.2 Schlussfolgerung... 116 7. Möglichkeiten der Lastbeeinflussung... 117 7.1 Tonfrequenzrundsteuerungen... 117 7.1.1 Allgemeines... 117 7.1.2 Lastmanagement mittels TFR im Bereich der Elektromobilität... 118 7.2 Funk-Rundsteuerung... 118 7.2.1 Allgemeines... 118 7.2.2 Lastmanagement mittels Funkrundsteuerung im Bereich der Elektromobilität... 119 7.3 Smart Metering... 119 7.3.1 Allgemeines... 119 7.3.2 Advanced Meter Management (AMM)... 120 7.4 Lastmanagement mittels Smart Metering für den Einsatz in der Elektromobilität... 125 7.4.1 Lastschaltung... 125 7.4.2 Bepreisung... 125 7.4.3 Anforderungsprofil für Smart Meter im Bereich der Elektromobilität... 131 -IV-
8. Abrechnungssysteme... 133 8.1 Stromrechnung... 133 8.2 Bezahlung mittels Bankomatkasse... 133 8.3 Bezahlung mittels Quick-Terminal... 135 8.4 Barzahlungsautomat... 135 8.5 Prepaid... 136 8.6 Mobiltelefon (Paybox)... 136 8.7 Abrechnungsmöglichkeiten nach Ladeort... 137 8.7.1 Abrechnung im Privathaushalt... 137 8.7.2 Abrechnung außerhalb des Privathaushaltes... 137 8.8 Besitzverhältnisse einer öffentlichen Ladestation... 139 8.9 Kostenvergleich unterschiedlicher Verrechnungssysteme... 140 8.9.1 Berechnung Best Case -Szenario... 140 8.9.2 Berechnung Worst Case -Szenario... 143 9. Weitere Aspekte der Elektromobilität... 147 9.1 Potenziale zur Aufbringung der Ladeenergie durch neue Ökostromanlagen... 147 9.1.1 Wasserkraft... 147 9.1.2 Potenzial der Windkraft... 148 9.1.3 Abschätzung der theoretischen Realisierbarkeit regenerativer Mobilität... 148 9.2 Volkswirtschaftliche Aspekte von Elektromobilität... 149 9.3 Bewertung der Idee des Vehicle-to-Grid... 151 9.3.1 Allgemeines... 151 9.3.2 Vergleich der Kapazitätskosten über die Zyklenlebensdauer bezogen auf die gesamte Speicherkapazität... 152 10. Pilotprojekte zur Elektromobilität in Österreich und in Europa... 155 10.1 VLOTTE Vorarlberg... 156 10.2 ElectroDrive Salzburg... 157 10.3 Lebensland Kärnten... 158 10.4 Energie Graz E-Mobilität... 158 10.5 Linz AG StromMobil... 159 10.6 austrian mobile power... 160 10.7 Park&Charge... 160 10.8 MINI E Pilotprojekt... 163 10.9 e-mobility Berlin... 164 10.10 365-Energy Group... 165 10.11 Better Place... 166 11. Verzeichnisse... 168 11.1 Abbildungsverzeichnis... 168 11.2 Tabellenverzeichnis... 171 11.3 Literaturverzeichnis... 173 12. Kontaktliste... 181 -V-