Der Einfluss der Elektromobilität auf die Autarkiepotentiale von Strom-Wärme-Verbundsystemen anhand verschiedener Ladeszenarien

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Aufgabenstellung
1.3 Vorgehensweise

2 Herleitung wichtiger Größen
2.1 Definitionen
2.2 Unterschied Verbrauch und Ladebedarf
2.3 Darstellung des Verbrauchs
2.3.1 ADAC Ecotest
2.3.2 Berücksichtigung der Temperatur
2.3.3 Verbrauch im Fahrbetrieb
2.3.4 Lade- und Entladeverluste
2.3.5 Gesamter Energiebedarf

3 Energiebedarf nach Fahrleistung
3.1 Fahrleistung laut Kraftfahrtbundesamt
3.2 Fahrleistung laut MiD2008
3.2.1 Energiebedarf nach Wegen
3.2.2 Verbrauch nach Kilometern
3.2.3 Verkehrsleistung vs. Verkehrsaufkommen

4 Ladelastgänge
4.1 Möglichkeit 1: Ladebedarf nach maximalem Verbrauchswert
4.2 Möglichkeit 2: Variable Ladedauer zeitversetzt
4.3 Jahresverlauf Energiebedarf
4.3.1 Jahresverlauf Lufttemperatur
4.3.2 Energiebedarf pro 100km
4.3.3 Energiebedarf pro 15min
4.3.4 Ladewert pro 15min nach Möglichkeit 2

5 Einfluss von Elektromobilität bei der Strom-Wärme-Analyse
5.1 Strom-Wärme-Verbundsystem
5.2 Strom-Wärme-Analyse Tool
5.3 Eingliederung des Energiebedarfs
5.4 Ermittlung von Autarkiequoten und Batteriegröße
5.4.1 Berechnung Batteriekapazität
5.4.2 Autarkiequoten und Eigenverbrauchsquoten
5.5 Anforderungen an das Elektrofahrzeug

6 Zusammenfassung
6.1 Wesentliche Eigenleistung
6.2 Beantwortung der Forschungsfragen

7 Fazit

Anhang

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Literaturverzeichnis

Zusammenfassung - Mit Voranschreiten der Energiewende nimmt die Elektromobilität einen immer größer werdenden Stellenwert ein. Im Zuge dieser Arbeit wurde erörtert, inwiefern die Elektromobilität in ein Strom-Wärme-Verbundsystem integriert werden kann. Ziel war es, den stationären Batteriespeicher im Haushalt durch den mobilen Batteriespeicher des Elektrofahrzeuges zu ersetzen. Ohne die Elektromobilität war eine Gesamtautarkie und Eigenverbrauchsquote des Strom-Wärme-Verbundsystems von je 90% möglich. Es wurde geprüft ob dies auch mit der Integration der Elektromobilität möglich ist.

Im Verlauf dieser Arbeit wurde der temperaturabhängige Verbrauch eines Elektrofahrzeuges zwischen 22,9kWh und 34,9kWh pro 100km hergeleitet. Daraus resultierte ein zusätzlicher Jahresstromverbrauch pro Haushalt von 3762kWh in 2014. Des Weiteren wurden verschiedene Ladelastgänge simuliert, um die verbrauchte Energie wieder aufzuladen. Mithilfe eines Strom-Wärme-Analyse Tools wurde ein Strom-Wärme-Verbundsystem mit verschiedene Durchdringungsraten der Elektromobilität simuliert. 80% Gesamtautarkie und Eigenverbrauchsquote waren möglich. Bei einer verfügbaren Speicherkapazität von 10kWh pro Fahrzeug genügt eine 20% Durchdringung, um weniger als 100kWh Netzbezug pro Jahr zu realisieren. Ab 75% Durchdringung sinkt der Netzbezug auf unter 10kWh. Später wurde erkannt, dass es sogar möglich ist, den stationären Batteriespeicher durch ein Elektrofahrzeug zu ersetzten und dabei eine Autarkie- und Eigenverbrauchsquote von je 85% zu erreichen. Bei einer Integration des Elektroautos wird die Batterie 8,4 Mal so stark belastet wie durch die normale Fahrleistung.

Abstract - In progress of the renewable energy transition, the importance of electric mobility is advancing quickly. This paper investigated the possibility of introducing e-mobility into a heat-electricity compound system. Its aim is to replace a stationary battery storage device with the electric vehicle’s mobile battery. Without e-mobility, the system was able to produce a self-sufficiency and self-consumption rate of 90%.

The goal was to maintain this rate with the introduction of e-mobility to the system. Research indicated that the temperature-sensitive power consumption is between 22.9kWh and 34.9kWh per 100km. This increased the average household’s electricity consumption by 3762kWh in 2014. In addition, this thesis used an analysis tool to change the penetration-rate of e-mobility in order to run different simulations. It was possible to reach a self-sufficiency and self-consumption rate of 80%. With an average battery capacity of 10kWh per vehicle, a 20% penetration-rate results in a grid-purchase of less than 100kWh per year. To decrease the purchase to less than 10kWh, a penetration-rate of at least 75% is required. It is possible to reach a self-sufficiency and self-consumption rate of 85% by replacing the stationary battery storage device with the mobile battery of an electric vehicle. Doing so, the battery of the vehicle will be strained 8.4 times as much as when it is solely used for driving.

1 Einleitung

1.1 Motivation

Mit Voranschreiten der Energiewende rückt auch die Elektromobilität immer weiter in das Blickfeld von Wirtschaft und Politik. Bereits im Mai 2010 wurde die Nationale Plattform Elektromobilität eingeführt. Die deutschen Automobilhersteller arbeiten hierbei Hand in Hand mit der Bundesregierung zusammen, um die Mobilität in Deutschland nachhaltig zu verändern. Ziel ist es, dass Deutschland zum „Leitmarkt und Leitanbieter für Elektromobilität“ [1] wird. Bis zum Jahr 2020 sollen mindestens eine Million Elektrofahrzeuge in Deutschland zugelassen sein [1]

Diese Arbeit prüft, inwiefern die Elektromobilität in Strom-Wärme-Verbundsysteme integriert werden kann. Das Hauptaugenmerk liegt hierbei auf der Integration der mobilen Batteriespeicher in Elektrofahrzeugen. Zusätzlich werden verschiedene Ladeszenarien durchgeführt. Als Grundlage hierfür dient meine Bachelorarbeit [2], in der bereits die Autarkiepotentiale von Strom-Wärme-Verbundsystemen unter Verwendung von Energiespeichern, betrachtet wurden.

1.2 Aufgabenstellung

In dieser Arbeit soll zum einen festgestellt werden, inwiefern eine Integration der Elektromobilität in das bestehende Stromnetz möglich ist. Zum anderen sollen die Anforderungen an den erneuerbaren Strommix ermittelt werden. Nur mit einem hohen Anteil an regenerativ erzeugter Energie ist die Elektromobilität sowohl wirtschaftlich als auch ökonomisch sinnvoll.

Folgende Fragen werden dabei in Betracht gezogen und beantwortet:

- Wie viel zusätzlicher elektrischer Strom wird für die Elektromobilität benötigt?
- Wie spiegelt sich dieser Mehrverbrauch im Tagesverlauf wider?
- Führt eine deutliche Überproduktion an elektrischer Energie zu mehr Freiheitsgraden im Ladeverhalten?
- Kann der Speicher im Auto, den Batteriespeicher im Haushalt ersetzen?
- Kann ein Elektroauto in ein Strom-Wärme-Verbundsystem integriert werden?
- Welchen Einfluss hat die Integration auf ein Elektroauto?
- Welchen Einfluss hat die Integration auf ein Strom-Wärme-Verbundsystem?

Zur Beantwortung der Fragen werden aktuelle Studien und Daten aus verschiedensten Bereichen der Wirtschaft analysiert und aufgearbeitet. Mithilfe von Microsoft Excel und MATLAB werden Tabellen und Lastkurven generiert.

1.3 Vorgehensweise

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Vorgehensweise Teil 1

Die Vorgehensweise dieser Arbeit lässt sich grob in zwei Bereiche unterteilen. Das Ziel des ersten Bereiches ist die Simulation einer Ladekurve. Diese gibt den Jahresverlauf des Energiebedarfs für ein Fahrzeug im 15 Minuten Takt vor. Da eine solche Simulation noch nicht durchgeführt wurde, werden im Verlauf dieser Arbeit des Öfteren Wege eingeschlagen, die zu keinem Ergebnis führen, beziehungsweise erhebliche Mängel aufweisen. All diese fehlerhaften Simulationen werden jedoch dokumentiert, um aus den gemachten Fehlern zu lernen und eine vollwertige, fehlerfreie Simulation zu erzeugen. Die blauen Kästchen stellen hierbei wichtige Meilensteine der Arbeit dar. Die grünen Kästchen zeigen den Weg auf, der letztendlich zu dem gewünschten Ergebnis führt.

Anhand von Angaben aus der Literatur wird zunächst der Gesamtverbrauch eines Elektrofahrzeuges ermittelt. Hierfür werden verschiedene Darstellungsmöglichkeiten verglichen. Die Herstellerangaben, sowie der ADAC Ecotest weisen einige Mängel auf, sodass auf eine Studie der Technischen Universität Wien zurückgegriffen wird. Hierbei wird zwischen reinem Fahrbetrieb und dem temperaturabhängigen Fahrbetrieb inklusive aller Verluste unterschieden. Daraus resultiert ein Durchschnittsverbrauch pro 100 km.

Im nächsten Schritt wird die Fahrleistung ermittelt. Die Angaben des Kraftfahrtbundesamtes(Kba) sind für diese Arbeit nicht detailliert genug, sodass die Daten der Studie Mobilität in Deutschland 2008 (MiD2008) [3, pp. 134-144] genutzt werden. Zunächst wird die Anzahl der zurückgelegten Wege pro Jahr bestimmt. Dieser Wert wird dann auf die verschiedenen Wochentage aufgeteilt und letztlich stundenweise angerechnet. Hier wurde der erste Fehler in der Logik erkannt: Die Anzahl der zurückgelegten Wege ist kein verlässlicher Indikator für den Energieverbrauch pro 100 km, da die Weglänge im Wochenverlauf variiert.

Folglich wurde für die weiteren Simulationen die Weglänge bei den Berechnungen berücksichtigt. Zusätzlich wurde die Variation der Verkehrsleistung über den Jahresverlauf miteinbezogen.

Im nächsten Schritt wurde ermittelt, wie sich die verbrauchte Energie wieder aufladen lässt. Dies wurde in zwei verschiedenen Modellen abgebildet. Bei der ersten Möglichkeit wurde angenommen, dass der maximale Verbrauchswert pro 15 min (Minuten) für eine Ladung der Batterie nicht überschritten werden darf. Die Summe aus Ladeleistung und Verbrauch durfte demnach nicht höher sein als der maximale Wert, der pro 15 min Einheit benötigt wird. Daraus resultierte eine Ladeleistung von null, sobald der maximale Verbrauch erreicht war. Dies war durch die Annahme begründet, dass zu diesem Zeitpunkt alle Fahrzeuge unterwegs waren und nicht geladen werden konnten. Diese Annahme ist falsch und wurde in einem zweiten Ladeszenario korrigiert.

Für dieses Berechnungsmodell wurde der Ladebedarf pro 15 min auf die darauffolgenden 15min Intervalle aufgeteilt. Hierbei war es nicht wichtig, die verbrauchte Energie so schnell wie möglich aufzuladen. Vielmehr konnte die Ladezeit hier variabel von 15 min bis mehreren Stunden gewählt werden. Es wurde zwischen einem Tages- und Nachtladezyklus unterschieden. Außerdem wurde die Fahrtzeit berücksichtigt und der Ladebeginn um diese Zeit verschoben. Dieses Lademodell zeigt die Auswirkung einer variablen Ladezeit auf die Verlaufskurve und wurde für weitere Berechnungen verwendet.

Im nächsten Schritt wurde der temperaturabhängige Verbrauch und der Energiebedarf durch die Fahrleistung miteinander kombiniert. Mithilfe der Temperaturen der Stadt Bamberg von 2014 und dem Model der variablen Ladedauer wurde der Ladebedarf pro 15 min Einheit für das gesamte Jahr 2014 ermittelt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Vorgehensweise Teil 2

Für den zweiten Teil der Arbeit wurde ein Strom-Wärme-Analyse Tool von Dr. Richard Eckerle verwendet [4]. Zunächst wurden die wichtigsten Arbeitsmappen dieses Excel Programms beschrieben. Im Anschluss wurde der temperaturabhängige Energiebedarf aus dem ersten Teil in dieses Tool integriert. Weiterhin wurden mithilfe verschiedener Parameter die Durchdringung der Elektromobilität in der Fahrzeugflotte, sowie die daraus resultierende Größe der mobilen Batterie ermittelt.

Mithilfe dieser Erkenntnisse wurden verschiedene Szenarien getestet und die resultierenden Autarkiequoten und Eigenverbrauchsquoten ermittelt. Die gesammelten Daten wurden im letzten Schritt in ein MATLAB Programm eingespeist und als Zwei-Parameter Grafik dargestellt. Somit konnte gezeigt werden, dass eine Integration der Elektromobilität in ein Strom-Wärme-Verbundsystem realisierbar ist und der mobile Batteriespeicher der Elektrofahrzeuge einen stationären Speicher im Haushalt ersetzen kann.

2 Herleitung wichtiger Größen

2.1 Definitionen

In diesem Kapitel werden wichtige Begriffe definiert.

Autarkiequote: Der Autarkiegrad zeigt auf, zu welchem Anteil sich ein Haushalt selbst mit Energie versorgen kann [5]. Sie berechnet sich aus dem gesamten Energieverbrauch, abzüglich der aus dem Verteilnetz bezogenen Energie, geteilt durch den gesamten Energieverbrauch und wird in Prozent angegeben für Tag, Monat oder Jahr [6, p. 3].

Eigenverbrauchsquote: Die Eigenverbrauchsquote berechnet sich aus dem Eigenverbrauch, geteilt durch die erzeugte Energie[6, p. 4]. Abhängig von der Art der Eigenverbrauchsquote wird die Energieerzeugung durch Wind-/PV oder zusätzlich die Erzeugung durch Blockheizkraftwerk (BHKW) und Wärmpumpe betrachtet. Die Angaben sind in Prozent (%).

Energiebedarf: Der Energiebedarf ist die Menge an Energie, die für das Zurücklegen einer Strecke von 100 km aus dem Netz entnommen werden muss. Hierbei werden Parameter wie die Verluste und Temperatur berücksichtigt. Es handelt sich bei dem Energiebedarf also um den Energieverbrauch korrigiert um die Lade- und Entladeverluste. Die Einheit ist kWh/100km.

Energieverbrauch: Der Energieverbrauch ist die Menge an Energie, die für das Zurücklegen einer Strecke von 100 km aus der Batterie entnommen werden muss. Die Einheit ist kWh/100km.

Verkehrsaufkommen: Das Verkehrsaufkommen bezeichnet die Anzahl der zurückgelegten Wege während einer bestimmten Zeiteinheit.

Verkehrsleistung: Die Verkehrsleistung wird als das Produkt der zurückgelegten Wege und der Länge pro Weg gerechnet. Sie beschreibt wie viele Kilometer am Tag zurückgelegt werden.

2.2 Unterschied Verbrauch und Ladebedarf

Der Verbrauch eines Elektrofahrzeuges ist nicht gleichzusetzen mit der tatsächlich zu ladenden Energiemenge. Bei genauerer Betrachtung finden sich eine Vielzahl von Parametern, die nicht vernachlässigt werden dürfen. Hierzu zählen zum einen die Bauteile, die den Wirkungsgrad des Elektroautos beeinflussen. Des Weiteren spielen Umwelteinflüsse eine wichtige Rolle, die sich direkt oder indirekt auf den Tagesverbrauch auswirken.

Die folgende Erklärung verdeutlicht den Unterschied zwischen Verbrauch und Energiebedarf:

Verbrauch: Energiemenge, die für das Zurücklegen einer Strecke von 100 km aus der Batterie entnommen werden muss.

Energiebedarf: Energiemenge, die für das Zurücklegen einer Strecke von 100 km aus dem Verteilnetz entnommen werden muss. Dies schließt Lade- und Entladeverluste mit ein.

Die Tabelle zeigt welche Bauteile bzw. Parameter für den Verbrauch und die Energiemenge verantwortlich sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Verbraucher zur Bestimmung des Energiebedarfs [7, pp. 8-9]

Die für diese Verbraucher benötigte Energiemenge wird durch die Umgebungstemperatur beeinflusst. Das bedeutet, dass durch jahreszyklische Temperaturschwankungen auch die benötigte Energiemenge pro 100 km variiert.

2.3 Darstellung des Verbrauchs

Der Verbrauch eines Elektrofahrzeuges kann sehr stark variieren. Je Modell- bzw. Parameterbetrachtung, ergibt sich ein Durchschnittsenergiebedarf von 11,7kWh bis 34,90kWh pro 100km. Im Verlauf dieser Arbeit wird zwischen Verbrauch und Energiebedarf differenziert. Es werden verschiedene Berechnungsarten betrachtet, die jeweils unterschiedliche Parameter berücksichtigen. Nachfolgende Tabelle gibt einen kurzen Überblick, wie der Verbrauch eines Elektrofahrzeuges heute dargestellt wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2: Verschiedene Darstellungsmöglichkeiten des Verbrauchs

Die Herstellerangaben [8] sind erfahrungsgemäß um einiges niedriger als die gemessenen Werte des ADAC Ecotests. Letztere werden in Kapitel 2.3.1 hergeleitet. Grund hierfür ist, dass die Tests der Automobilhersteller nur den Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) betrachten, der ADAC Ecotest untersucht jedoch das Umweltverhalten bei verschärften Anforderungen [9, p. 8].

In den nachfolgenden Kapiteln werden diese Verfahren genauer betrachtet und die Vor- und Nachteile der jeweiligen Methode explizit aufgezeigt. Die Werte der Technischen Universität Wien Gesamt bilden den tatsächlichen Energiebedarf zwischen 22,92kWh und 34,90kWh pro 100km unter Berücksichtigung der meisten Einflussfaktoren ab. Der Maximalwert wird bei einer Temperatur von -10 °C erreicht.

2.3.1 ADAC Ecotest

Um eine repräsentative Verbrauchsanalyse eines Durchschnittsfahrzeuges zu erhalten, wird angenommen, dass die Klassenverteilung von Elektrofahrzeugen analog zu der von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor ist. Für die Simulationen wurden teilweise mehrere Fahrzeugklassen in einer zusammengeschlossen, sodass letzten Endes zwölf Unterklassen auf vier Klassen zusammengefasst wurden. Die Klassenverteilung sah am 01. Januar 2015 wie folgt aus: Kleinwagen (26,5%), Mittelklasse (42,7%), Oberklasse (7,2%) und Geländewagen/Vans(20,7%) [10].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Fahrzeugverteilung nach Klassen 2015 in %

Grund für die analoge Annahme bei Elektrofahrzeugen ist, dass es aufgrund der niedrigen Stückzahl bisher noch keine aussagekräftige Studie über ihre Klassenverteilung gibt. Da Elektroautos auch mittelfristig nur für Kurz- und Mittelstrecke im Stadtverkehr alltagstauglich sind, ist jedoch davon auszugehen, dass sich der Kauftrend weiter zu Kleinwagen bzw. Mittelklassewagen verschiebt.

Weiterhin wurden den verschiedenen Fahrzeugklassen Modelle von Elektrofahrzeugen zugewiesen, um eine Variation im Energieverbrauch zu simulieren. So wurde der BMWi3 als Kleinwagen, der Nissan Leaf in die Mittelklasse, der Tesla Model S in die Oberklasse und der Renault Kangoo Z.E. zu den Vans bzw. Nutzfahrzeugen eingeordnet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3: Durchschnittsverbrauch verschiedener Fahrzeugklassen mit Beispielen [11][12][13][14]

Hier wurde der ADAC Ecotest nach dem Neuen Europäischer Fahrzyklus (NEFZ) mit einer Mischung aus Stadt, Land, Autobahn verwendet. Anteilmäßig wurden auch die Worldwide Harmonized Light-Duty Vehicle Test Procedure (WLTP) sowie der ADAC Autobahntest mit eingerechnet[9, p. 8]. Die Daten wurden bei Umgebungstemperaturen erhoben (etwa 20°C) und beinhalten teilweise die Nutzung der Klimaanlage. Aus dem prozentualen Anteil der Fahrzeugklassen, sowie dem durchschnittlichen Energiebedarf der verschiedenen Fahrzeuge, ergibt sich ein Modell unabhängiger Durchschnittsbedarf von 19,74kWh pro 100km. Dieser wird wie folgt berechnet:

Anteil am Fahrzeugmarkt x Durchschnittsverbrauch des Fahrzeugs

Kleinwagen + Mittelklasse + Oberklasse + Vans = Durchschnitt

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Formel 1: Bestimmung Durchschnittsverbrauch/100km anhand verschiedener Fahrzeugklassen

Die Fehler bei den Herstellerangaben und des ADAC Ecotests entstehen dadurch, dass weder die Lade- und Entladeverluste noch die Temperatur in den Tests berücksichtigt werden. Zwar wird bei dem Ecotest die Klimaanlage eingeschaltet, jedoch nur bei einer Außentemperatur von 20°C. Die benutzten 12V Verbraucher beschränken sich lediglich auf die Scheinwerfer. Daher bilden diese Tests nicht den Energiebedarf unter realen Bedingungen ab.

2.3.2 Berücksichtigung der Temperatur

Um die angesprochenen Fehler der bisherigen Tests auszubessern, wird für die folgenden Methoden die Temperatur berücksichtigt. Diese ist für den Verbrauch von Elektrofahrzeugen von enormer Bedeutung. Die Rohdaten hierfür wurden aus einer Studie der Technischen Universität Wien vom Oktober 2012 entnommen und grafisch aufbereitet [7].

In dieser Studie wurden fünf verschiedene Elektrofahrzeuge betrachtet. Der Misubishi i-MiEV, Mercedes Benz A-Klasse E-Cell, Smart Fortwo Electric Drive, Nissan Leaf und der Citroen Berlingo. Alle Fahrzeuge wurden verschiedenen Fahrtests unterzogen. Für die nachfolgenden Auswertungen wurde jedoch nur der Ecotest betrachtet. Grund hierfür ist die ausgewogene Streckenwahl zwischen Stadtverkehr (25%), Landstraße (45%), sowie Autobahn (30%). Insgesamt betrug die zurückgelegte Strecke pro Testfahrt 35,5km und dauerte 50:33 min [15]. Dies entspricht in etwa der, in der Studie Mobilität in Deutschland 2008 (MiD2008) ermittelten, täglichen Wegstrecke. Für den Test wurde eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 42km/h berechnet. Um den Einfluss der Außentemperatur auf den Energiebedarf zu bestimmen werden bestimmte Verbraucher nur unter gewissen Witterungsbedingungen eingeschaltet. Die Heizung wird bei Temperaturen zwischen -20°C und +19°C eingeschaltet. Zwischen +20°C und +29°C ist kein Gebläse an. Ab +30°C wird hingegen die Klimaanlage (AC) hinzugeschaltet[7, p. 6]. Die Fahrzeug Innentemperatur beträgt konstant 22°C. Vor jeder Testfahrt wurde die Batterie vollständig geladen und über einen Zeitraum von acht Stunden an die Außentemperatur konditioniert.

2.3.3 Verbrauch im Fahrbetrieb

Hier wurden die Lade- und Entladeverluste zunächst außeracht gelassen und primär die Klimaanlage und Heizung, sowie 12V Verbraucher berücksichtigt. Es wurden zwei der fünf Testfahrzeuge gegenübergestellt. Der Misubishi i-MiEV als sparsamster und der Mercedes Benz A-Klasse E-Cell mit dem höchsten Verbrauch. Der Test wurde bei einer Steigung von 0%, also auf ebener Fahrbahn, durchgeführt. Als Verbraucher wurden je nach Temperatur sowohl Klimaanlage und Heizung, als auch die bereits genannten 12V Verbraucher aus Tabelle 1: Verbraucher zur Bestimmung des Energiebedarfs genutzt. Die Temperatur wurde zwischen -20°C und +30°C in 10 Grad Schritten variiert. Hieraus ergibt sich folgende Grafik.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Temperaturabhängiger Verbrauch im Fahrbetrieb

Der Verbrauch für die übrigen Temperaturen wurde mithilfe einer polynomischen Trendlinie 3. Grades ermittelt. Beide Polynome können der Abbildung 4: Temperaturabhängiger Verbrauch im Fahrbetrieb entnommen werden. Bei dem Mercedes Modell kann zwischen -20°C und +20°C fast ein linearer Zusammenhang angenommen werden. Mit steigender Temperatur sinkt der Verbrauch. Der durchschnittliche Verbrauch liegt mit 26,2 kWh pro 100km etwa 7,3kWh über dem des Mitsubishi.

Obwohl dieser Ansatz bisher am nächsten an der Realität ist, fehlt ein wichtiger Bestandteil. Dieser zeigt sich in den Lade- und Entladeverlusten und wird im folgenden Abschnitt ausführlich hergeleitet.

2.3.4 Lade- und Entladeverluste

Diese Verluste sind zum einen sehr Modell abhängig und zum anderen temperaturabhängig. Bei manchen der betrachteten Modelle, wie zum Beispiel dem Mitsubishi i-MiEV oder dem Nissan Leaf, sind nur die Entladeverluste temperaturabhängig, nicht jedoch die Ladeverluste. Bei dem untersuchten Mercedes Benz A-Klasse E-Cell, Smart Fortwo Electric Drive und dem Citroen Berlingo sind beide Verlustarten temperaturabhängig. Hierbei reichen die Werte für die Ladeverluste zwischen 9% beim Mitsubishi und bis zu 26% beim Mercedes.

Die Entladeverluste variieren ebenfalls zwischen etwa 3% beim Nissan Leaf und 11% beim Smart [7, pp. 22-38]. Generell sind die Ladeverluste größer als die Entladeverluste, mit der Ausnahme des Citroen Berlingo. Dieses Modell besitzt eine Hochtemperaturbatterie aus Nickel-Natriumchlorid mit einer Betriebstemperatur von 300°C. Daher muss die Batterie im Standby Betrieb extern geheizt werden. Ohne diese Heizung würden hohe Entladeverluste von bis zu 229 Wh pro Stunde bei -20°C entstehen [7, p. 49].

Eine eindeutige Definition von Ladeverlusten gibt es nicht. Je nach Studie und Richtlinien werden verschiedene Parameter betrachtet, weswegen diese Verluste stark variieren. In der Studie „Batterieelektrische Fahrzeuge in der Praxis“ der Technischen Universität Wien sind Ladeverluste jene Verluste, die durch den On-Board-Charger (1) und den DC/DC-Wandler (3) entstehen. Letzterer dient zur Laderegelung für das 12V Bordnetz. Auf die Frage hin, wie die Lade- und Entladeverluste der Hochvoltbatterie dargestellt werden, antwortete der Verfasser der Studie, Dr. Werner K. Tober, wörtlich: „Die Lade- und Entladeverluste der HV-Batterie werden [in der Studie] nicht getrennt erfasst. Es wird gemessen, wie viel Energie der vollgeladenen Batterie entnommen wird und wie viel Energie im Anschluss in die Batterie geladen wird …. Das Delta zwischen Ladeenergie und Entladeenergie ist die Summe der Lade- und Entladeverluste.“ [16]

Die Entladeverluste berechnen sich demnach aus dem Wirkungsgrad der Hochvoltbatterie (2). Dieser ergibt sich aus dem Verhältnis der geladenen Energiemenge und der, der Traktionsbatterie zur Verfügung stehender Energiemenge [7, p. 20]. Hierbei wird die Rekuperation außeracht gelassen. Modelle bei denen die Entladeverluste temperaturunabhängig sind, halten die Temperatur der Hochvoltbatterie konstant.

Abbildung 5 zeigt, wie die Energie von Stromnetz zu Antriebsstrang gelangt. Die Wirkungsgrade beziehen sich auf das Modell des Mitsubishi i-MiEV und sind je nach Modell unterschiedlich. Hierbei wird zwischen dem Ladebetrieb und dem Fahrbetrieb unterschieden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Schematische Darstellung der Lade- Entladeverluste inklusive Gesamtwirkungsgrade

Im Ladebetrieb entstehen Verluste am On-Board-Charger (1) sowie am DC/DC-Wandler (3), der die Niedervolt-Batterie auflädt. Die Ladeverluste inklusive Laderegelung werden laut Studie [7, p. 22] auf 9% festgelegt. Dies setzt bei einem konstanten Wirkungsgrad des On-Board-Chargers einen DC/DC-Wandler Wirkungsgrad von 97% voraus. Die Hochvoltbatterie(2) stellt ebenfalls nicht 100% der geladenen Energie bereit, jedoch wird ihr Wirkungsgrad und somit die Entladeverluste erst im Fahrbetrieb bei der eigentlichen Entladung ermittelt. Im Ladebetrieb werden sie nicht berücksichtigt, da sich das Fahrzeug nicht bewegt. Sie werden erst beachtet, wenn der Motor die Energie aus der Hochvoltbatterie bezieht.

Im Fahrbetrieb werden die Entladeverluste berücksichtigt. Hier wird das Delta zwischen der verfügbaren Energie aus der Hochvoltbatterie und der für eine vollständige Ladung benötigten Energiemenge berechnet. Daraus ergibt sich beim Mitsubishi ein temperaturabhängiger Wirkungsgrad von 88-95%. Somit entstehen Entladeverluste von 5-12% an der Hochvoltbatterie (2).

Um nun den Gesamtwirkungsgrad der diversen Verbraucher zu berechnen werden die Teilwirkungsgrade multipliziert. Für Heizung und Klimaanlage ergibt sich ein Wirkungsgrad von 83-89%, da diese Verbraucher die Energie direkt aus der Hochvoltbatterie beziehen und nur mit dem Wirkungsgrad des On-Board-Chargers multipliziert werden. Für die 12 V Verbraucher werden On-Board Charger und DC/DC-Wandler multipliziert. Es resultiert ein Wirkungsgrad zwischen 78-86%.

Der Motor erreicht einen Gesamtwirkungsgrad von 69-81%. Dieser Wert scheint zunächst gering, jedoch wird die Energie vom Stromnetz bis zum Motor mehrmals gespeichert und umgewandelt, sodass wiederholt Verluste entstehen. Folgende Skizze erklärt den Weg von Stromnetz zu Motor.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Gesamtwirkungsgrad vom Stromnetz zum Motor

Bevor die geladene Energie den Motor erreicht, muss sie den On-Board-Charger passieren. Hierbei werden etwa 6% der Energie nicht umgewandelt. Die restliche Energie wird in der Hochvoltbatterie gespeichert, bis der Ladevorgang beendet wurde und der Fahrbetrieb beginnt. In der Hochvoltbatterie gehen etwa 5-12% der Energie verloren. Dies liegt zum einen an dem Wirkungsgrad von 90-95% der Lithium-Ionen Akkumulatoren[17], zum anderen an temperaturbedingten Verlusten. Während der Fahrt muss der AC/DC-Wandler die Energie aus der Hochvoltbatterie umwandeln, sodass hier erneut 9-17% der für die Verbraucher relevanten Energiemenge verloren geht. Letztendlich erreicht nur 69-81% der ursprünglich geladenen Energiemenge den Motor. Der Rest ist in Leitungs-, Wärme- oder andere Energien umgewandelt worden.

Abbildung 7 zeigt die Temperaturabhängigkeit der Lade- und Entladeverluste der beiden Extremmodelle an.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Temperaturabhängige Lade- und Entladeverluste

Hier wurden nur die reinen Lade- und Entladeverluste der beiden Grenzwert Modelle betrachtet. Diese Grafik beruht auf Testfahrten mit einer Steigung von 0%. Es ist unschwer zu erkennen, dass die temperaturabhängigen Verluste des Mitsubishi i-MiEV fast konstant bei etwa vier kWh pro 100km liegen. Wohingegen die Lade- und Entladeverluste des Mercedes Modells besonders im negativen Temperaturbereich schnell steigen und mit durchschnittlich 11,1kWh knapp dreimal so hoch sind, als beim Vergleichsmodell.

2.3.5 Gesamter Energiebedarf

Um den Verbrauch eines Elektrofahrzeuges vollständig zu beschreiben, werden die Erkenntnisse aus Kapitel 2.3.3 und 2.3.4 kombiniert und der Gesamte Energiebedarf pro 100km zurückgelegter Strecke bestimmt. Die Rahmenbedingungen blieben dabei unverändert. Die Temperatur wurde erneut in 10 Grad Schritten gemessen und mithilfe dieser Datenpunkte ein Polynom 3. Grades ermittelt. Zusätzlich zu den beiden bisherigen Modellen, wurde der Energiebedarf eines Durchschnitts E-Fahrzeuges bestimmt. Hierfür wurden die gemessenen Werte aller fünf Vergleichsmodelle arithmetisch gemittelt. Zu beachten ist, dass der Citroen Berlingo keine Klimaanlage besitzt. Um die Bestimmung des gesamten Energiebedarfs weiter an die Realität anzupassen, wurde in den nachfolgenden Grafiken die Steigung von 0% auf ±2% geändert. Dies bedeutet, dass die zurückgelegte Strecke zu je 50% mit einer Steigung von 2% und einem Gefälle von 2% zurückgelegt wurde. Somit wird die Rekuperation, also die Rückgewinnung der Bremsenergie, in den Berechnungen berücksichtigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Temperaturabhängiger Energiebedarf Gesamt

Abbildung 8 zeigt den gesamten Energiebedarf der beiden Testfahrzeuge, sowie der Energiebedarf eines durchschnittlichen E-Fahrzeuges. Dieser liegt im gemessenen Temperaturbereich zwischen den Vergleichsmodellen. Die Auswirkung der Temperatur auf den Energiebedarf ist hier ebenfalls deutlich geringer, als bei dem Mercedes Benz A-Klasse E-Cell. Insgesamt wirkt die Temperaturabhängigkeit fast linear. Mit steigender Temperatur sinkt der Bedarf. Lediglich bei sehr hohen Temperaturen über 30°C steigt der Bedarf wieder an. Das verwendete Polynom gibt den Bedarf mit einer Genauigkeit von 99,89% wieder.

Bisher wurde der Verbrauch, die Verluste und daraus resultierend, der gesamte Energiebedarf eines Fahrzeuges ermittelt. Nachfolgende Grafik zeigt die einzelnen Bestandteile des temperaturabhängigen Energiebedarfs eines Durchschnittsfahrzeuges.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Temperaturabhängiger Energiebedarf Aufteilung auf Verbraucher

Zusammenfassend verdeutlicht die Grafik den abnehmenden Gesamtenergiebedarf mit steigender Temperatur. Lediglich bei Temperaturen über 30°C steigt er erneut an. Der durch das reine Fahren entstandene Grundverbrauch ist weitgehend temperaturunabhängig. Die 12V Verbraucher wie Licht, Scheibenwischer oder Radio haben nur einen marginalen Anteil an dem Gesamtenergiebedarf. Der Großteil der temperaturabhängigen Schwankung wird durch die AC/Heizung, sowie den Lade-/Entladeverlusten hervorgerufen. Diese wurden in der Abbildung 9 verdeutlicht. Bei Temperaturen unter -10°C machen diese Parameter etwa 50% des Energiebedarfs aus. Bei gemäßigten Temperaturen von 20°C liegt ihr Anteil bei ungefähr 25%.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es verschiedene Möglichkeiten gibt, den Verbrauch eines Elektrofahrzeuges zu erfassen. Die rudimentärste Form besteht darin, den Energiekonsum des reinen Fahrens zu bestimmen. Um jedoch einen alltagstauglichen, realistischen Verbrauch abzubilden, dürfen Parameter wie Temperatur, Lade- und Entladeverluste, Klimaanlage und Heizung sowie die 12V Verbraucher nicht vernachlässigt werden. All diese Merkmale wurden in Kapitel 2.3.5 berücksichtigt, sodass ein temperaturabhängiger Verbrauch zwischen 22,92kWh und 34,90kWh ermittelt werden konnte. Dieser Wert dient als Grundlage für den Rest der Arbeit. Im nächsten Schritt wird die Fahrleistung eines Fahrzeuges ermittelt um die benötigte Jahresenergiemenge eines Elektroautos zu berechnen.

3 Energiebedarf nach Fahrleistung

Nachdem nun der Verbrauch pro 100km zurückgelegte Strecke bekannt ist, wird in diesem Kapitel der gesamte Energiebedarf pro Fahrzeug und Jahr, unter Berücksichtigung der zurückgelegten Strecke, ermittelt. Hierfür wird zunächst die durchschnittliche Fahrleistung pro Jahr bestimmt.

3.1 Fahrleistung laut Kraftfahrtbundesamt

Laut einer Erhebung von Statista von November 2015 wurde eine jährliche Fahrleistung pro Fahrer zwischen 0 km und mehr als 20.000 km festgestellt[18]. Die Aufteilung hierfür ist Abbildung 10 zu entnehmen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Durchschnittliche Fahrleistung pro Fahrzeug im Jahr

Es ist deutlich zu erkennen, dass mehr als 60% der Autofahrer pro Jahr zwischen 5.000km und 15.000km zurücklegen. Dieser Wert wird auch durch das Kraftfahrt-Bundesamt belegt, welches im Jahr 2014 eine durchschnittliche Jahresfahrleistung von 14.100 km pro Fahrer ermittelte[19].

Nun kann berechnet werden, wie viel elektrische Energie im Durchschnitt für Elektrofahrzeuge aufgebracht werden muss. In den Simulationen wird zunächst mit 1.000 Fahrzeugen gerechnet. Dies kann jedoch beliebig skaliert werden. Die in diesem Kapitel ermittelten Werte und Abbildungen beziehen sich auf den Verbrauchswert des ADAC Ecotests von 19,74kWh pro 100km. Somit ergibt sich ein Jährlicher Gesamtbedarf von 2783kWh pro Fahrzeug. Dies dient lediglich dazu, die Kurvenverläufe darzustellen. Wie jedoch in Kapitel 2.3 ausführlich erklärt wurde, entspricht dieser Wert nicht der Realität und weist einige Fehler auf. Im Folgenden werden sowohl die zurückgelegten Wege, als auch die gefahrenen Kilometer getrennt voneinander betrachtet. Dabei ist die letztere Herangehensweise als Erweiterung des Modells zu betrachten, welches Fehler in den Annahmen korrigiert.

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