Elektromobilität Infrastruktur & Technik Impulsvortrag Dipl.-Ing. Erik Blasius
SMART Capital Region (SCR) BTU Cottbus-Senftenberg Laufzeit: Juli 2013 bis Juni 2016 Kernprojekt im Internationalen Schaufenster Elektromobilität Berlin-Brandenburg Förderung durch das Ministerium für Wirtschaft & Energie des Landes Brandenburg Ziele: Untersuchung & Optimierung des Zusammenspiels einzelner Komponenten & Technologien an Modellanlagen innerhalb eines Intelligenten Stromnetzes (Smart Grid) Entwicklung eines Konzepts zur zukünftigen Nutzung regenerativer Stromüberschüsse aus Brandenburg in der Hauptstadtregion 2
Bestand und Planung in Deutschland http://www.bmbf.de/pubrd/npe_fortschrittsbericht_2014_barrierefrei.pdf Gesamtbestand zugelassene PKW in Deutschland zum 01.01.2015: 44,4 Mio. davon rein elektrisch: 18.948 rel. Anteil: 0,043 % http://www.kba.de/de/statistik/fahrzeuge/bestand/umwelt/2014_b_umwelt_d usl_absolut.html empfohlenes Verhältnis für Ladeinfrastruktur: 1 öffentliche Ladestation auf 10 Elektrofahrzeuge (europäischen Richtlinie 2014/94/EU) http://www.bmbf.de/pubrd/npe_fortschrittsbericht_2014_barrierefrei.pdf 3
Modelle (Auszug) Nissan Leaf Reichweite: 160 km V max : 145 km/h Energiekapazität: 24 kwh Preis: ab 23.790 BMW i3 Reichweite: 171 km V max : 150 km/h Energiekapazität: 22 kwh Preis: ab 34.950 http://www.nissan.de/de/de/vehicle/electric-vehicles/leaf.html http://www.bmw.de/de/neufahrzeuge/bmw-i/i3/2015/erleben.html Mitsubishi Outlander PHEV Reichweite hybrid (elektrisch): 800 km (52 km) V max hybrid (elektrisch): 170 km/h (120 km/h) Energiekapazität: 12 kwh Preis: ab 39.990 http://www.mitsubishi-motors.de/plug-in-hybrid-outlander/#! 4 http://www.e-stations.de/cars.php
Modelle (Auszug) Tesla Model S 85D Reichweite: 502 km V max : 250 km/h Energiekapazität: 85 kwh Preis: ab 85.900 http://www.teslamotors.com/de_de/models Renault Kangoo Z.E. Maxi Reichweite: 142 km V max : 130 km/h Energiekapazität: 22 kwh Preis: ab 26.180 http://www.renault.de/renault-modellpalette/ze-elektrofahrzeuge/kangoo-ze/kangoo-ze/ German E-Cars Plantos Reichweite: 120 km V max : 130 km/h Energiekapazität: 39 kwh Preis: ab 80.000 http://www.e-stations.de/cars.php http://www.german-e-cars.de/uploads/media/leichte_nutzfahrzeuge.pdf 5
Ladebetriebsarten (Modes) Ladebetriebsart 1 AC, einphasig, SchuKo-Stecker (Netzanschluss), max. zulässige 16 A (3,7 kw) keine Kommunikation, externe Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (Gebäudeinstallation) Ladegerät befindet sich im Fahrzeug http://www.netzleitungen.com/media/images/org/schukostecker_ip44_typ_f1.jpg 6
Ladebetriebsarten (Modes) Ladebetriebsart 2 AC, einphasig, SchuKo-Stecker (Netzanschluss), meist max. zulässige 16 A (3,7 kw) Pilotfunktion, Fehlerstrom-Schutzeinrichtung im Ladekabel (ICCB) Ladegerät befindet sich im Fahrzeug http://www.mennekes.de/graphics/xpic0/00036362_0.pdf 7
Ladebetriebsarten (Modes) Ladebetriebsart 3 AC, dreiphasig, Typ-2-Stecker (Netzanschluss), meist max. zulässige 32 A (22,2 kw) Pilotfunktion, Fehlerstrom-Schutzeinrichtung Teil der Ladeinfrastruktur (EVSE) Verriegelung notwendig (verhindert Abziehen des Ladekabels während des Ladens) Ladegerät befindet sich im Fahrzeug http://www.mennekes.de/html2pdf/do_print_neu.php 8
Ladebetriebsarten (Modes) Ladebetriebsart 4 DC, bis 200 kw Pilotfunktion, digitale Kommunikation, Fehlerstromschutzeinrichtung, Ladekabel Teil der Ladeinfrastruktur Verriegelung notwendig (verhindert Abziehen des Ladekabels während des Ladens) Ladegerät befindet sich in der DC-Ladestation (fahrzeugextern) http://www.elektromobilitaet-verbindet.de/img/13_k01_ev_combo_2_rdax_237x600.jpg 9
Standardladekurve (Li-Ionen-Batterie) 10
Ladezeiten Leistungsübertragung dreiphasig (16 A) 1 h 33 min einphasig (16 A): z.b. Grundversionen des VW e-golf, e-smart, BMW i3 4 h 39 min Batteriekapazität: 17,1 kwh Ladezeit 11
Kontakte des Typ-2-Ladesteckers (AC) PP-Kontakt Kabelidentifikation, Kabelanschluss PE L1 CP-Kontakt Kommunikationsschnittstelle N L2 L3 http://www.google.de/imgres?imgurl=http%3a%2f%2fwww.mennekes.de%2fuploads%2fmedia%2fmennekes- Stecker_Typ2.jpg&imgrefurl=http%3A%2F%2Fwww.mennekes.de%2Faktuell_details.html%3Ftx_ttnews%255Btt_news%255D%3D922%26cHash%3D90c28bcd144f87c0 d54cc5cb3b6a527e&h=1377&w=1391&tbnid=g85zehn67pa8um%3a&zoom=1&docid=j8objnobbbki3m&ei=aemsvdkjgmh9upiki5gk&tbm=isch&iact=rc&uact=3&du r=155&page=1&start=0&ndsp=44&ved=0cciqrqmwaa Ladeschnittstellen: Typ 1, Combo 1 (Europa, Japan, USA) Typ 2, Combo 2 (Europa, Japan, USA) CHAdeMO (Europa, Japan) GB/T (China) http://www.diariomotor.com/tecmovia/imagenes/2013/02/volkswagen-e-golf-200213-1280-03-1024x682.jpg 12
Kontakte des Combo-2-Ladesteckers (DC) PP-Kontakt Kabelidentifikation, Kabelanschluss PE CP-Kontakt Kommunikationsschnittstelle DC+ DC- http://www.google.de/imgres?imgurl=https%3a%2f%2fadacemobility.files.wordpress.com%2f 2012%2F05%2Feinheitsstecker.jpg&imgrefurl=https%3A%2F%2Fadacemobility.wordpress.co m%2f2012%2f05%2f07%2fschnelles-laden-einigung-auf- einheitsstecker%2f&h=1773&w=2363&tbnid=gx0- hc0szix3bm%3a&zoom=1&docid=lkg9rjv3maec0m&ei=skesve3ne4f9usnlj8gg&tbm=isc h&iact=rc&uact=3&dur=480&page=1&start=0&ndsp=40&ved=0cdkqrqmwca Ladeschnittstellen: Typ 1, Combo 1 (Europa, Japan, USA) Typ 2, Combo 2 (Europa, Japan, USA) CHAdeMO (Europa, Japan) GB/T (China) http://www.diariomotor.com/tecmovia/imagenes/2013/02/volkswagen-e-golf-200213-1280-03-1024x682.jpg 13
techn. Anforderungen an öffentliche Ladeinfrastruktur Standardisierung der Ladeinfrastruktur: Stecker: IEC 62196-1, IEC 62196-2, IEC 62196-3 Kommunikation: IEC 61851-1, IEC 15118 Topologie: IEC 61851-21, IEC 61851-22, IEC 61851-23, IEC 61851-24, IEC 61439-5 Sicherheit: IEC 61140, IEC 62040, IEC 60529, IEC, 60346-7-722, ISO 6469-3 14
Ladeinfrastruktur-Varianten abhängig vom Einsatzbereich: privat, halb-öffentlich, öffentlich Anforderungen: langsam oder schnell laden herkömmliche Gebäudeinstallation oder öffentliches Netz typisch: 3,7 kw Ladebetriebsart 1 und 2 privat, halb-öffentlich, öffentlich http://www.twikeklub.ch/images/1_050408_twike_park_03_480.jpg http://cdn.ecomento.tv/wp-content/uploads/2015/05/elektroauto-latenen-laden-ubitricity-740x425.jpg AC-Wallbox: 750 1.700 typisch: bis 22 kw Ladebetriebsart 3 privat, halb-öffentlich, öffentlich http://www.e-handwerk.org/fileadmin/_processed_/csm_e-mobilitaet_ladestation_fc8992d111.jpg 15
Ladeinfrastruktur-Varianten abhängig vom Einsatzbereich: privat, halb-öffentlich, öffentlich Anforderungen: langsam oder schnell laden AC-Ladesäule: 4.500 10.000 typisch: bis 22 kw Ladebetriebsart 3 halb-öffentlich, öffentlich http://images.zeit.de/auto/2010-09/rwe-ladestation-elektroauto/rwe-ladestation-elektroauto-540x304.jpg DC-Ladestation: ab 15.000 typisch: bis 200 kw Ladebetriebsart 4 halb-öffentlich, öffentlich http://www.merkur.de/bilder/2011/08/25/1376611/1611453581-6723452_534-32ng.jpg 16
Elektrofahrzeuge als mobile Speicher (Vehicle-to-Grid-Konzept) bei Bedarf kann Energie zu- oder abgeführt werden Einsatz z.b. als Pufferspeicher für das Eigenheim oder das Energieversorgungsnetz PKW werden die meiste Zeit geparkt während des Parkens Nutzung der Batterie als Speicher wirtschaftliche Geschäftsmodelle fehlen noch 17
Elektrofahrzeuge als mobile Speicher (Vehicle-to-Grid-Konzept) bei Bedarf kann Energie zu- oder abgeführt werden Einsatz z.b. als Pufferspeicher für das Eigenheim oder das Energieversorgungsnetz Voraussetzungen PKW werden die (Ladebetriebsart meiste Zeit geparkt 3): während des Parkens Nutzung der Batterie als Speicher digitale wirtschaftliche höhere Geschäftsmodelle Kommunikation zwischen fehlen noch Ladeinfrastruktur (Netzseite) und Elektrofahrzeug bidirektionales Ladegerät im Elektrofahrzeug intelligente fahrzeugexterne Steuerung 18
genormte Kommunikation (DIN EN 61851-1) obligatorischer Informationsaustausch Ladestromvorgabe der Ladesäule durch PWM-Signal auf den CP-Leiter des Ladekabels Laden nicht gestattet zulässige Ladeströme in Abhängigkeit des Tastverhältnisses reserviert für digitale Kommunikation Mindestleistung (3~): 4,14 kw starre Leistungsvorgaben in 0,6-A- bzw. 2,5-A-Schritten 19
digitale Kommunikation (proprietär) erweiterter Informationsaustausch Modulierung von Datensignalen via LIN-Bus auf den CP-Leiter des Ladekabels Nutzereingabe durch Fahrzeug-Display oder Smartphone-App 17:00 Uhr möchte ich aber wieder nach Hause fahren! Ladesäule Ladeleistung Entladeleistung Nutzer Reservereichweite Abfahrtszeit Soll-Reichweite Elektrofahrzeug SoC max. Ladeleistung max. Entladeleistung 20
bidirektionales Ladegerät im Elektrofahrzeug verbaut mit freundlicher Genehmigung der German E-Cars Research & Development GmbH 21
intelligente fahrzeugexterne Steuerung Ladesäule Energiemanagementsystem Kommunikationsverbindung Elektrofahrzeug Nutzer 22
Nutzung als steuerbarer Speicher vollständige Informationen über die Nutzerwünsche und das Ladeverhalten der teilnehmenden Fahrzeuge notwendig 23
Problematik Residuallasten 24
Aggregator und zentrale übergeordnete Prozesssteuerung Smart-Grid P2G Aggregator Ladesäulenpark Microgrid P2V V2G P2H 25
Aggregator und zentrale übergeordnete Prozesssteuerung Überwachung, Steuerung, Regelung Summenfahrplanvorgabe für den Ladesäulenpark Archivierung der Messdaten 26
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Praxisarbeit im Projekt SCR: https://www.youtube.com/watch?v=u2p5fsygbz4 27
Kontakt Dipl.-Ing. Erik Blasius Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg Lehrstuhl Energieverteilung und Hochspannungstechnik (EVH) Lehrgebäude 3E, Raum 1.18 Siemens-Halske-Ring 13 03046 Cottbus Germany Telefon: +49 (0) 355 69 5578 Fax: +49 (0) 355 69 4039 E-Mail: erik.blasius@b-tu.de 28