Mobile Smart-Meter ermöglichen intelligentes Lastmanagement für Elektrofahrzeuge

Benzin raus – Strom rein

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Die intelligent gesteuerte Ladung und Entladung von Elektrofahrzeugbatterien über variable Stromtarife stellt eine Möglichkeit zur Gestaltung der zukünftigen Energienetze dar. Mit einem mobilen Smart-Meter kann das individuelle Laden und Entladen der Elektrofahrzeuge derart optimieren werden, dass der Nutzer zu jeder Zeit die Kontrolle über den Ladezustand seines Fahrzeugs behält. Der vorliegende Beitrag beschreibt, wie eine optimale Ladung von Elektrofahrzeugen bei einem hohen zukünftigen Energiebedarf gestaltet werden kann.

Die Umstellung des Individualverkehrs von Verbrennermotoren auf einen effizienten Elektroantrieb mit Batterien als Energiespeicher und die Versorgung mit vorwiegend aus dezentralen, erneuerbaren Quellen stammendem Strom aus dem stationären Netz wird derzeit als erfolgversprechendster Ansatz im Automobilbereich betrachtet. Neben den Batteriematerialien und der Batteriesystemtechnik stellt die Netzintegration von Elektrofahrzeugen die größte Herausforderung dar. Der Stromverbrauch in Deutschland würde zwar steigen, der Benzinverbrauch hingegen drastisch sinken, so dass auch die schädlichen Emissionen wie CO2 und Lärm, die durch Verbrennungsmotoren entstehen, entfallen. Werden zur Stromerzeugung zusätzlich regenerative Energien verwendet, so kann auch der CO2-Ausstoß, der bei der Stromherstellung entsteht, nahezu auf Null reduziert werden.

Erneuerbare Energien sind jedoch nicht zu jeder Zeit verfügbar. Um Synergien des fluktuierenden Angebots erneuerbarer Energien und der sehr flexiblen Last- und Speicherkapazitäten aller Elektro- und Hybridfahrzeuge zu nutzen, müssen zukünftig Lastmanagementkonzepte für eine effiziente Angebots- und Nachfrageverteilung elektrischer Energie eingesetzt werden. Ansonsten ist mit einem weiteren Anstieg des Verbrauchs während der Lastspitzen zu rechnen. Unter der beispielhaften Annahme eines Austauschs aller derzeitigen Fahrzeuge in Deutschland durch Elektrofahrzeuge, ist mit einer zusätzlichen Spitzenlast von bis zu 30 GW zu rechnen, die durch die aktuelle Netzinfrastruktur nicht übertragen werden kann. Deutlich wird dies in der bildlichen Darstellung. Gezeigt wird eine exemplarische Lastverteilung des Übertragungsnetzes in Deutschland in der Woche vom 14. bis zum 20. Oktober 2008 (grün). Blau eingezeichnet ist die angenommene zusätzliche Last durch Elektrofahrzeuge.
Nutzen der Integration von Elektrofahrzeugen in das Stromnetz
Elektrofahrzeuge stehen im Schnitt über 20 h am Tag und werden nur kurzzeitig eingesetzt. Daher ist ihr Strombedarf sehr flexibel und sie eignen sich damit für die Einbindung in ein Energiemanagement. So besteht die Möglichkeit Batterien in Zeiten eines hohen Energieüberschusses zu laden und die Speicherkapazitäten für die Rückspeisung während eines hohen Energiebedarfs zu nutzen. Die Steuerung der Ladung und Entladung von Elektrofahrzeugen eignet sich nicht nur aus der Perspektive einer hohen Speicherkapazität, sondern im Fall von variablen Stromtarifen auch aus monetären Gesichtspunkten aufgrund der tiefen Preise in nachfragearmen Zeiten und hoher Preise in Spitzenlastzeiten. Folglich besteht hierdurch ein klarer Anreiz das Laden der Fahrzeugbatterie auf lastarme und somit preiswerte Zeiten zu verlagern. Entsprechend sind Energiespeicher in Fahrzeugen ein geeignetes Mittel für den Ausgleich von Angebot und Nachfrage mittels einer Reduktion der Lastspitzen. Die Realisierung eines solchen Konzepts der steuerbaren Nachfrage verlangt jedoch den Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien und damit eine Umgestaltung des Stromnetzes sowie geeignete Mess- und Abrechnungssysteme (Smart Metering).
Mobiler Smart-Meter mit integriertem Dispatcher
Mobile intelligente Zählersysteme mit variablen Tarifstrukturen sind ein solcher Ansatz. Mit einem als Steuerungseinheit dienenden „mobilen Dispatcher“ kann ein Lastmanagementsystem umgesetzt werden. Die Informa- tions- und Kommunikationstechnologien der intelligenten Zählersysteme realisieren die Integration des Elektrofahrzeugs in das Stromnetz. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat einen solchen mobilen Smart-Meter mit integriertem Dispatcher entwickelt. Berücksichtigt werden die Netzlast sowie das Energieangebot. Der mobile Dispatcher befindet sich im Fahrzeug und berechnet einen optimalen Plan für die Ladung und Entladung. Für diese Optimierung müssen verschiedene Einflussfaktoren berücksichtigt werden, wie Fahrerwünsche, Netzlast, Tarife und Batteriedaten. Eine indirekte Steuerung wird dabei mit dynamischen Tarifen durch den Energieversorger umgesetzt. Der mobile Smart-Meter sollte sich deshalb im Fahrzeug befinden, da hier mit kürzeren Neuerungszyklen gerechnet wird, als bei der stationären Infrastruktur, die eher einfach und preiswert aufgebaut sein sollte. So kann die Technologie des mobilen Smart-Meters weiterentwickelt werden und die Ladeinfrastruktur von allen mobilen Smart-Metern weiter genutzt werden. In einem Smart-Metering-System ist das Mess- und Abrechnungswesen bereits integriert. Die von der Strombörse EEX sowie der Einspeisung erneuerbarer Energien abhängigen Tarife und das Abrechnungsverfahren werden von dem Energieversorger oder einem so genannten „Vehicle Pooler“, einem Energiedienstleister, generiert und können entsprechend der aktuellen lokalen Situation korrigiert werden. Die Authentisierung erfolgt zwischen dem Metering-System und dem „mobilen Dispatcher“ beziehungsweise Smart-Meter im Fahrzeug. Nach der Authentisierung findet ein Austausch der nötigen Daten (zum Beispiel Tarifkuren) zwischen „mobilem Dispatcher“ und Ladestation statt. Der mobile Dispatcher kann nun die Ladestrategie optimal planen. Um ein und dieselbe Ladestation für verschiedene Fahrzeuge verwenden zu können, werden mobile Smart-Meter gebraucht. Während des Ladeprozesses vergleichen das Metering- und Submetering-System den Energiefluss. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn mehrere Fahrzeuge gleichzeitig geladen werden. Das Metering-System sendet die Ladedaten an den Vehicle Pooler, der die Abrechnung für den Fahrzeugbesitzer übernimmt. Gleichzeitig werden die Verbrauchsdaten an den Netzbetreiber gesendet.
Vorteil dieses Systems ist die Möglichkeit des gleichzeitigen Ladens mehrerer Fahrzeuge an einer Ladestation, da es Teil des Smart Metering-Systems ist. Demgegenüber wird der Nachteil mit der Notwendigkeit einer umfassenden Standardisierung begründet, da eine Kommunikation zwischen verschiedenen Fahrzeugen erfolgen muss.
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme;
Telefon: 0761 4588-9455;
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