Elektromobilität energetische Optimierung durch individuelles Fahrverhalten Stefanie Marker TU Berlin FVB
Einstieg Elektromobilität ist kein neues Thema Alles eine Frage der Motivation: Peak-Oil Klimawandel Gestiegener Ressourcenbedarf Politischer Wille Aktuelle Herausforderungen Preis / Wirtschaftlichkeit Reichweite? W. Ayrton & J. Perry, 1881 Teufelskreis Nutzer vs. Infrastruktur Seite 2
Agenda 1. Elektromobilität mit Zwischenschritt in die Zukunft? 2. Projekt komdrive 3. Projekt AMPERE 4. Fazit Seite 3
Überblick Elektromobilität Nationaler Entwicklungsplan für Elektromobilität: Bis 2o2o 1 Million Elektrofahrzeuge in Deutschland BEV Battery Electric Vehicle PHEV Plug-in Hybrid Electric Vehicle REEV Range-Extended Electric Vehicle Seite 4
Paradoxon Elektrofahrzeuge lassen sich nur dann rentabel betreiben, wenn sie eine möglichst geringe Batteriegröße aufweisen und die damit mögliche Reichweite täglich vollständig ausnutzen. Seite 5
Motivation Dominanz CO 2 und NO x intensiver Dieselantriebe im Güterverkehr Toll Collect Energiespeicherung bei Zunahme dezentral erzeugter Energie bayernwerk Verwendung von Fahrzeugen mit elektrifiziertem Antriebsstrang stawag Ziel: minimale indirekte Emissionen (erneuerbare Energie) Running Twig/flickr.com Seite 6
Motivation Hacker, F. et al, Marktpotenziale und CO2-Bilanz von Elektromobilität: Arbeitspakete 2 bis 5 des Forschungsvorhabens OPTUM: Optimierung der Umweltentlastungspotenziale von Elektrofahrzeugen, Öko Institut e.v, 2011. Seite 7
Motivation Dominanz CO 2 und NO x intensiver Dieselantriebe im Güterverkehr Toll Collect Energiespeicherung bei Zunahme dezentral erzeugter Energie bayernwerk Verwendung von Fahrzeugen mit elektrifiziertem Antriebsstrang stawag Ziel: minimale indirekte Emissionen (erneuerbare Energie) Running Twig/flickr.com Seite 8
Motivation viele Studien zum Thema Elektromobilität Mobilität in Deutschland www.mobilitaet-in-deutschland.de/ Mobilitätspanel www.mobilitaetspanel.de/ NET-ELAN Einfluss von Elektrofahrzeugen und Ladeszenarien Nutzungsprofile konventioneller, privater Nutzer EneSys Langstrecken-Elektromobilität Energieeffizienz (Schwerpunkt Rekuperation, Nebenaggregate-Management) Alltagseignung, potenzielle Käufer/Testnutzer eflott Effizient laden, Batteriekapazität, Wirtschaftlichkeit Bewegungsprofile konventioneller Fahrzeuge Seite 9
Motivation Stand der Forschung Kleine Problemanalyse: Keine realen Nutzer von EV andere Motivation andere Nutzung Nutzungsverhalten konv. Fahrzeuge wird auf EV projiziert Nutzergruppe unpassend Seite 10
Projekt komdrive Elektrifizierungspotenzial kommerzieller Kraftfahrzeugflotten im Wirtschaftsverkehr als dezentrale Energieressource in städtischen Verteilnetzen Seite 11
Was wird betrachtet? - Städtischer Wirtschaftsverkehr, kein Fernverkehr, kein Privatverkehr - Elektrifizierungsgrade: BEV, PHEV - Fahrzeugtypen: Zweirad bis mittelschwere LKW - Fahrzeugflotten (keine Einzelfahrzeuge) Seite 12
Fahrprofil (Beispiel: KEP-Dienstleister Berlin) Seite 13
Durchführung Seite 14
Technik und Tools Gute Genauigkeit hinsichtlich GPS- Koordinaten und Geschwindigkeit Begrenzte Genauigkeit in Häuserschluchten Autarker, kostengünstiger (< 300 EUR pro Gerät) Kompakt & leicht Automatischer Stand-By-Betrieb Keine Änderungen am Fahrzeug nötig Seite 15
Technik und Tools FVB Companion Android App Integrierte Smartphone-Sensorik Hohe Verfügbarkeit Kostenlos für Nutzer Datenbankanbindung Anonymität Seite 16
Technik und Tools: Individual Driving Cycle Builder IDCB Usage Time PT 004 Usage Time PT 004 Speed [km/h] 100 50 Fri Speed [km/h] 100 50 Sat Speed [km/h] Speed [km/h] 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Time [hours] UTC Usage Time PT 004 100 50 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Time [hours] UTC Usage Time PT 004 100 50 Seite 17 Sun Tue 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Time [hours] UTC Speed [km/h] Speed [km/h] 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Time [hours] UTC Usage Time PT 004 100 50 Mon 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Time [hours] UTC Usage Time PT 004 100 50 Wed 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Time [hours] UTC Geschwindigkeit [km/h] 80 70 60 50 40 30 20 10 Individueller Fahrzyklus 0 0 500 1000 1500 2000 2500 Zeit [s]
Beispiel KEP-Flotte: Routen 52.585 52.56 KEP 1 Speed [km/h] velog 06, Tour 1 140 120 52.585 52.56 KEP 2 Speed [km/h] velog 08, Tour 1 140 120 52.535 100 52.535 100 latitude [ ] 52.51 52.485 80 60 latitude [ ] 52.51 52.485 80 60 52.46 52.46 52.435 40 52.435 40 52.41 20 52.41 20 13.155 13.230 13.305 13.380 13.455 13.530 13.605 13.680 longitude [ ] 0 13.155 13.230 13.305 13.380 13.455 13.530 13.605 13.680 longitude [ ] 0 Seite 18
Fahrzeugauslegung - Vorgaben Ist-Zustand Elektrifizierungspotenzial: Vorgaben für die Batterie Nutzeroptimierte Auslegung Nennkapazität auf Grundlage des Fahrprofils SOH = 80% am Ende der Batterie- Lebensdauer Berücksichtigung der Nebenverbraucher Seite 19
Beispiel KEP-Flotte: Ergebnisse Einzelfahrzeug Minimalverbrauch, 55 km Minimalverbrauch, 65 km Sommertag, 55 km Wintertag, 55 km Seite 20
Ergebnisse komdrive Fahrprofile sehr inhomogen (Einsatzzeiten, Tagesfahrleistung, Rahmenbedingungen) BEV oft möglich Investitionskosten: PKW ab 2025 BEV und PHEV günstiger als konv. Fahrzeuge leichte LKW in 2025 ca. gleiche Kosten für alle Antriebsvarianten ab 2030 BEV < PHEV < konventionell mittelschwere LKW kein Vorteil für BEV oder PHEV bis 2030, je nach Einsatzprofil evtl. PHEV interessant Seite 21
Ergebnisse komdrive Standzeiten: mindestens eine längere Standzeit (0,5 h 2 h) je Zyklus für mögliches Nachladen (Verteilung stark inhomogen) Kein mittäglicher Pausenpeak nächtliche Standzeiten mind. 5h Einfluss des Beladungsprofils <1% auf den Verbrauch (Flachland) Seite 22
Bestimmung des optimalen Elektrifizierungsgrades - Tausch von Fahrzeugen - Nachnutzung von Batterien Seite 23
Projekt AMPERE Vorteil PHEV/E-REV These Range Extender bieten einen idealen Kompromiss aus großer Reichweite und (lokal) emissionsfreiem Fahren. Sie sind ein vollständiger Ersatz zum konventionellen Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. Frage Wie müssen die einzelnen Komponenten zur Maximierung der elektrischen Fahranteile dimensioniert werden? Seite 24
Projekt AMPERE Konzept PHEV Keine Reichweitenproblematik durch Range Extender Bei Erreichen des SOC-Minimums wird der Verbrennungsmotor eingeschaltet. Serieller Hybrid Verbrennungsmotor kann stationär im Bestpunkt betrieben werden Batterie wird nicht geladen, sondern auf einem konstanten Niveau gehalten Volle Ladung über Stecker Seite 25
Methodik Seite 26
Probanden Datenbank: 56 Fahrer, 1Jahr (Feb 2014 - Feb 2015) 281.362.703 Datensätze Seite 27
Ampera-Nutzung Bei rein elektrischen Fahrten Ø > 30 km/h (zum Vergleich: Ø Stadt: 17,2 km/h) 62% der Fahrer mit elektr. Fahranteil von > 90% 80% der täglichen Fahrstrecken < 50 km Seite 28
Daten und Kennfelder Verteilung der Datenpunkte (#): nur ein kleiner Bereich wird häufiger benutzt Betriebsstrategie Seite 29
Ergebnisse AMPERE 80% der Gesamtjahresfahrleistung < 25.000 km Bis zu 90% der täglichen Fahrten < 100 km Hauptsächliche Nutzung: Arbeitsweg Reichweiten über dem derzeitig verfügbaren Schnitt erwünscht Nebenverbrauch (Heizung/Klima) hat deutlichen Einfluss auf den elektr. Energieverbrauch, kaum Einfluss auf den Treibstoffverbrauch Seite 30
Fazit E-Fahrzeuge sind alltagstauglich externe (Lade-) Infrastruktur wird selten genutzt Warum? Flotten sind prädestiniert Reichweitenangst ist objektiv unbegründet Energiebilanz ist negativ (abhängig vom Strommix) maßgeschneiderte Modelle wären für den Nutzer sinnvoll Seite 31
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Prof. Dr. Stefanie Marker Technische Universität Berlin FG Fahrerverhaltensbeobachtung für energetische Optimierung und Unfallvermeidung +49 30 314 72 970 stefanie.marker@tu-berlin.de Seite 32