Energie unter der E-Lupe

Markt & Meinung

Eine Million Elektrofahrzeuge welche Herausforderungen kommen mit dem Aufbau einer im Vergleich zu Verbrennungsmotoren zwar geringen Flotte auf Netze und Ladekonzepte zu? Antworten sucht eine Studie.

27. Mai 2011

Die Anzahl der Elektrofahrzeuge und Plug-in-Hybride in Deutschland ist derzeit gering. Sie bedeuten noch keine nennenswerte Belastung des elektrischen Versorgungsnetzes. Es ist aber davon auszugehen, dass diese Fahrzeuge mittelfristig einen nennenswerten Anteil auf den Straßen ausmachen. Denn Ziel der Bundesregierung ist es schließlich, bis 2020 eine Million davon auf Deutschlands Straßen zu bringen.

Somit stellt sich die Frage, wie sich eine große Zahl von Elektrofahrzeugen auf das Versorgungsnetz auswirken wird. Grund genug, dass der VDE dieses Thema auch in seiner Studie ›Elektrofahrzeuge Bedeutung, Stand der Technik, Handlungsbedarf‹ mit aufgreift.

»Die zu erwartenden Auswirkungen von Elektrofahrzeugen auf das Versorgungsnetz sind von Eigenschaften und Anzahl der Fahrzeuge abhängig. Aber auch Mobilitätsverhalten, Ladeinfrastruktur und Ladeverhalten der Nutzer haben eine entscheidende Bedeutung«, so die Autoren der Studie. »Konkrete Aussagen über zukünftige Netzauswirkungen sind derzeit nicht möglich, da zu wenig Informationen zu diesen Einflussfaktoren vorliegen.« Trotzdem ließen sich die Auswirkungen anhand der Mobilitätsstatistiken zumindest abschätzen. Untersuchungen zeigen, dass nur 2,3% der Bundesbürger täglich Strecken von über 100km fahren. Die durchschnittliche Strecke liegt bei 25km. 43% der Fahrten enden zu Hause, 27% im Betrieb.

Haus und Arbeitsplatz reicht

Im Rahmen der Studie wurde das Ladeverhalten von Elektrofahrzeugen anhand dreier Szenarien für einen Werktag abgeschätzt (siehe Abbildung). Dabei ergab sich, dass die benötigte Energie zur Versorgung von Elektrofahrzeugen aus Erzeugungssicht als unproblematisch einzustufen ist. Nicht jede Parkzeit eignet sich zur Nachladung der Fahrzeuge. Aus Gründen der Vergleichbarkeit wurde angenommen, dass die Fahrzeuge nur geladen werden, wenn die Parkdauer mindestens eine Stunde beträgt. Die Ladung erfolgt aus Netzsicht ungesteuert, der Verbrauch der einzelnen Fahrzeuge wird auf 20kWh/100km angesetzt. Die Ladung erfolgt mit einer konstanten Leistung von 3,7kW, einphasig bei 16A.

Im ersten Szenario ist das Laden ausschließlich zu Hause möglich, im zweiten zu Hause und in der Arbeit und im dritten Fall ist eine flächendeckende Infrastruktur vorhanden. Alle drei Szenarien weisen ein ausgeprägtes Leistungsmaximum in den Abendstunden zwischen 18:00 und 19:00 Uhr auf. Die durchschnittliche Ladeleistung pro PKW beträgt zu diesem Zeitpunkt zwischen 350W und 500W. Bei einer Anzahl von 1Mio. Elektroautos ergibt sich eine abendliche Ladeleistungsspitze von rund 500MW (Szenario eins) oder 350MW (Szenario zwei und drei). Auffällig ist im Szenario zwei, dass durch das Laden der Fahrzeuge am Arbeitsplatz der Verlauf der Ladekurve sich dem im Szenario drei gut annähert. Gegen vier Uhr morgens sind die Fahrzeuge in allen drei Szenarien wieder vollgeladen.

Genügend Energie

Da überwiegend zu Hause und am Arbeitsplatz geladen wird, habe die öffentliche Ladeinfrastruktur einen verhältnismäßig geringen Einfluss. »Öffentliche Ladestationen sind jedoch für die Akzeptanz der Elektromobilität von essenzieller Bedeutung für das subjektive Gefühl, mit Sicherheit laden zu können« stellen die Autoren fest.

Anhand der Szenarien ist ersichtlich, dass auch eine einphasige Ladung prinzipiell ausreichen kann, um den Großteil der Elektrofahrzeuge bis zum nächsten Morgen wieder vollzuladen. »Aufgrund der hohen Investitionen in Netze, Batterien und Ladegerät sind Schnellladesysteme zunächst von geringem Nutzen«, so der VDE. So ergäbe sich bei einer im Haushalt üblichen Ladeleistung von nur 3,7kW eine Ladezeit von fünf Stunden. Die langen Standzeiten überwiegend zu Hause und am Arbeitsplatz sollten zum Laden genutzt werden. Auch hier reichen 16 Ampere und 230 Volt aus.

Unter Berücksichtigung einer durchschnittlichen Tagesfahrstrecke von 30km pro Tag und dem angesetzten Verbrauch von 20kWh auf 100km ergibt sich ein durchschnittlicher elektrischer Energiebedarf von 6kWh pro Tag und fahrendem Fahrzeug, so die Studie. Für eine Gesamtanzahl von 1Mio. Fahrzeuge resultiert ein Jahresenergieverbrauch von rund 1,4TWh. Dies entspreche unter 0,5% der in Deutschland pro Jahr genutzten elektrischen Energie.

Netz-Problem bei Konzentration

Die Ladeleistung bei einphasigem Anschluss der Fahrzeuge erscheint aus Netzsicht zumindest in der Einführungsphase als unkritisch. Bei großen Ladeleistungen und hohen lokalen Fahrzeugdichten kann es aber zu Problemen im bestehenden Mittel- und Niederspannungsnetz kommen, so die Bewertung der Autoren nach einem exemplarischen Vergleich der Daten des ersten Szenarios mit einem Haushaltslastprofil für einen Werktag in der Übergangszeit (H0).

Durch die zusätzliche Ladeleistung würde sich der durchschnittliche Bedarf von Haushalten mit Elektrofahrzeugen zum Zeitpunkt der Maximallast (in den Abendstunden) bei diesem Szenario um rund 450W erhöhen. Dieser Wert kann sich beim Übergang zu höheren Ladeleistungen sowie bei Mehrfachmotorisierung mit Elektrofahrzeugen weiter vergrößern, was zu Netzüberlastungen führen könnte.

Die Autoren empfehlen daher im Falle von hohen Fahrzeugzahlen und hohen Ladeleistungen ein netzseitiges Ladelastmanagement. Dies könnte preisbasiert über spezielle Tarife oder auch durch gezielte Steuerung der Ladelast realisiert werden.

Da ein Großteil der Fahrzeuge in den betrachteten Szenarien bereits um Mitternacht vollgeladen sei, könnte ein Lastmanagement auch dazu genutzt werden, abendliche Lastspitzen durch die Ausdehnung der Ladezeiten auf die eher lastschwachen Nachtstunden zu verringern sowie die Fahrzeuge gezielt zur Speicherung von Windenergie zu verwenden. Dadurch könne sich auch der Effekt verringern lassen, dass konventionelle Grundlastkraftwerke durch den starken Zubau von Windenergie in den Nachtstunden weiter in den Teillastbereich gedrängt werden.

Bei der Laststeuerung der Elektrofahrzeuge, gegebenenfalls auch zusammen mit den Haushaltslasten, sei generell darauf zu achten, dass die Gleichzeitigkeit der Lasten im Verteilnetz nicht nennenswert erhöht wird. Andernfalls könnten die Hoch-/Mittelspannungstransformatoren sowie die Mittelspannungskabel als erstes überlastet werden, danach die Ortsnetztransformatoren und die Niederspannungskabel. In einem netzseitigen Lastmanagement ist eine geeignete Koordination zwischen Netz und dezentralen Anlagen und Fahrzeugen zu implementieren.

Da die Fahrzeuge zu einem Großteil des Tages parken, besteht theoretisch auch das Potenzial, die gespeicherte Energie und die Anschlussleistung für Netzdienstleistungen zu nutzen. In ersten Untersuchungen zeige sich jedoch, dass der wirtschaftliche Nutzen zur gesicherten Erbringung von Sekundär- oder Minutenreserve sehr gering ist und hierzu extrem große Zahlen von Fahrzeugen zu Pools zusammengeschlossen werden müssten, so die Studie. Durchgängige Kommunikationsverbindungen wären zur Erbringung der Netzdienstleistungen ebenfalls erforderlich. »Es würde hierbei ein Abruf der Leistung mit einer hohen Gleichzeitigkeit notwendig sein, die sich aus Netzgründen nicht oder nur stark eingeschränkt realisieren lässt«, stellen die Autoren fest.

Rückspeisung unwahrscheinlich

Dasselbe gelte prinzipiell auch für die Erbringung von Primärregelleistung. In diesem Bereich wäre allerdings denkbar, dass während des Ladevorgangs bei netzseitiger Unterfrequenz die Ladeleistung gemäß einer Statikkennlinie reduziert wird.

Ein weiterer Punkt, der laut Studie zu beachten ist: Netzdienstleistungen, die die Rückspeisung von Energie in das Niederspannungsnetz nutzen, bedürfen spezieller Sicherheitseinrichtungen zur Inselnetzerkennung. Dieses ist für Eigenerzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz vorgeschrieben, damit die Anlage bei einem Netzausfall nicht durch Rückspeisung im Niederspannungsnetz arbeitende Personen gefährdet. Dasselbe würde für E-Fahrzeuge gelten, wodurch neben dem aufwendigeren Ladegerät weitere Kosten entstehen würden. »Die Erbringung von Netzdienstleistungen durch Elektrofahrzeuge ist aufgrund des hohen technischen Aufwandes und der verhältnismäßig geringen Wirtschaftlichkeit bis auf Weiteres nicht zu erwarten«, so das Fazit der Autoren zu dem Thema E-Mobile entsprechend zu nutzen.

Erschienen in Ausgabe: 02/2011