Die Gefahr einer Überlastung des elektrischen Netzes könnte schon bald Deutschland treffen. In Norwegen war dies bereits der Fall. Solarzellen auf den Dächern und Wärmepumpen belasten das elektrische Netz, doch das ist nichts im Vergleich zu den zusätzlichen Lasten die durch den Durchbruch der e-Mobilität verursacht werden. „Durch intelligente Energiemanagementsysteme für Elektrofahrzeuge können viele Investitionen in die Versorgungsnetzinfrastruktur umgangen werden und lokale Energieressourcen effizienter genutzt werden“, sagt Prof. Brehm, Wissenschaftler, der an der Spitze des deutsch-dänischen Interreg Projektes carpeDIEM steht. Im Endeffekt spart der Verbraucher Kosten, da in der Regel die Investitionen für den Ausbau der Versorgungsinfrastruktur wieder auf den Kunden umgelegt werden. Im Projekt carpeDIEM steht DIEM für Distributed Intelligent Energy Management – verteiltes intelligentes Energiemanagement.
- Heute schon mit Ihrem Auto gesprochen?
Eine leichte Veränderung des Slogans, "Heute schon mit Ihrem Kind gesprochen?", könnte die Lösung des Problems darstellen. Die Herausforderung besteht nicht nur darin, dass immer mehr Gebäude mit Solardächern und Wärmepumpen zu Produzenten von elektrischer Energie werden und bei lokaler Überproduktion ins Netz einspeisen, sondern auch darin, dass Regierungen auf den Ersatz von diesel- und benzingetriebenen Autos bis 2030 abzielen. Elektrische Fahrzeuge sind aber enorme Energieschlucker.
Alleingenommen ist das vielleicht nicht so problematisch, zum Problem wird es dann, wenn sehr viele E-Fahrzeuge innerhalb eines Versorgungsnetzes gleichzeitig geladen werden. Das ist zum Beispiel der Fall bei Fahrzeugflotten, die über den Tag in Gebrauch sind und die dann zum Feierabend gleichzeitig geladen werden. Ein anderes Beispiel sind Wohngebiete in denen Arbeitnehmer die per E-Fahrzeug zur Arbeit fahren am Abend zu Stoßzeiten wieder am Wohnort ankommen um dann gleichzeitig ihre E-Fahrzeuge für den nächsten Gebrauch zu laden. Das resultiert dann in einer Rush-Hour im Versorgungsnetz. Leider ist die heutige Netzinfrastruktur für derart hohe Spitzenlasten nicht ausgelegt. Zum Vergleich, die größten Verbraucher im Haushalt, wie Waschmaschine und Trockner haben eine maximale Anschlussleistung von 2 bis 2,5kW, ein elektrisches Fahrzeug hingegen lädt heute mit Leistungen von 11kW bis 22kW. Bei steigender Batteriekapazität und angestrebten kürzeren Ladezeiten werden diese Werte in Zukunft sogar noch steigen. Das Resultat einer nicht angepassten Versorgungsinfrastruktur bei gleichzeitig steigender Anzahl von e-Fahrzeugen konnte am Beispiel von Norwegen und Kalifornien mit durchgebrannten Kabeln und Stromausfällen bereits erlebt werden.
Daher ist es erforderlich entweder das elektrische Netz auszubauen, oder eine intelligentere Lösung zu finden. Und dann sind wir wieder bei der Frage, ob sie heute schon mit ihrem Auto gesprochen haben.
Prof. Brehm vom Mads Clausen Institut in Sønderborg ist seit zwei Jahren Leiter des carpeDIEM Projektes. Gemeinsam mit der technischen Hochschule Lübeck, der Europauniversität Flensburg und der CBB Software GmbH wurden innerhalb des carpeDIEM Projekts die Energieverbrauchsdaten einer Gemeinde in Nordfriesland bemessen und analysiert und gemeinsam ein intelligentes Lastmanagement-System zum kooperativen Laden von Elektrofahrzeugen entwickelt. Kern des Systems sind Ladesäulen und Ladeboxen für Elektrofahrzeuge, die miteinander kommunizieren um möglichst lokale Energieressourcen zum Laden von Elektrofahrzeugen zu benutzen und Netzlastspitzen durch koordiniertes Laden zu verhindern.
Das Energiemanagementsystem kann also mit ihrem Auto sprechen. Und es funktioniert.
Eine Lösung, die erhebliche Investitionen spart
Im Frühjahr 2018 untersuchte das Projektteam um Prof. Brehm bei einem Netzwerkpartner des Projektes, der Kreisverwaltung Ostholstein, die Nutzungsprofile der Dienstwagenflotte. Die Verwaltung möchte sich für die Zukunft aufstellen und Ihre Dienstwagenflotte langfristig auf E-Mobilität umstellen. Eine Herausforderung stellt hierbei das zukünftige Lademanagement dar.
Um den Fall technisch und in Hinsicht auf Netzlastspitzen zu analysieren, erhielt der Wissenschaftler Logbücher über die Nutzung der Dienstfahrzeugflotte. Die statistische Analyse ergab, dass 90 Prozent der Dienstfahrzeuge weniger als 100 Kilometer am Tag fahren und die Nutzung zw. 16 und 18 Uhr endet. Die Nutzungsmuster der dieselbetriebenen Flotte wurde jetzt auf die Benutzung von Elektrofahrzeugen projizieren und die resultierende Netzlast für die entsprechende Anzahl elektrischer Fahrzeuge über die Zeit simuliert. In Abbildung 1 ist die ohne Optimierung resultierende Netzlast für einen Tag dargestellt. Deutlich zu erkennen ist die Spitzenbelastung von mehr als 200 kW, die gegen 17 Uhr die Trafostation und das darüber liegende Netz, belasten würde. „Die Abbildung zeigt, dass die maximale Kapazität der aktuellen Trafostation deutlich überschritten würde“, sagt Prof. Brehm.
Abb. 1 Simulation des Lastverhaltens eines Tages, wenn alle E-Fahrzeuge direkt nach Ankunft laden.
Eine mögliche Lösung ist die statische Begrenzung der maximalen Ladeleistung auf 10kWh. Die Ladezeit wird sich dadurch für alle Fahrzeuge verlängern und das Profil aus Abb. 1 wird geglättet, aber es gäbe immer noch Lastspitzen. Eine vorteilhaftere Lösung stellt das dynamische Laden dar. Hier wird das Laden dynamisch auf verschiedene Fahrzeuge verteilt. Ausgangspunkt hierfür ist die Verweildauer des jeweiligen Fahrzeugs an der Ladestation – diese Information ist in dem gegebenen Szenario immer gegeben, da das Fahrzeug erst am nächsten Tag zu Arbeitsbeginn wieder benötigt wird. Jetzt wird die gesamte Energiemenge, die benötigt wird um alle Fahrzeuge bis zum nächsten Morgen vollgeladen zu haben, über den verfügbaren Zeitraum aufgeteilt und für alle Fahrzeuge koordiniert. Die Simulation zeigt deutlich, dass diese Herangehensweise zu sehr glatten Profilen auf erheblich niedrigerem Niveau führt (vgl. Abb. 2).
Derzeit arbeitet das Team um Herrn Prof. Brehm daran mit Hilfe von künstlicher Intelligenz eine „lernende“ Ladesäule zu entwickeln.
Fig. 2 Dynamisches Laden aller E-Mobile in einer Simulation, beachten Sie die Veränderung der Skala im kW-Bereich um mehr als einen Faktor 10 im Vergleich zu Abb. 1.
Das Beispiel zeigt, wie eine intelligente Steuerung das Laden von E- Fahrzeugen verbessern kann und beitragen kann Kosten einzusparen.
Das carpeDIEM Projekt wird gefördert durch Interreg Deutschland-Danmark mit Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung.
