Der vollelektrische Transport ist ein wichtiger Bestandteil der Bemühungen, die Klimaschutzziele zu erreichen. Elektrofahrzeuge (EVs) werden von einem Elektromotor angetrieben, der Strom aus einer Batterie bezieht und von einer externen Quelle aufgeladen werden kann. Abhängig von den Lademustern des elektrifizierten Transportsystems kann das Stromnetz, das die Energie liefert, zur gleichen Zeit wie der Verteilungsbedarf seine Spitzenkapazität erreichen. Dies kann zu Transformatorausfällen, Stromknappheit, der Abhängigkeit von teuren Spitzenkraftwerken oder der vermeintlichen Notwendigkeit führen, neue Kraftwerke zu bauen. Eine neue Studie des MIT bietet jedoch eine Alternative. Wenn eine strategische Platzierung von Ladestationen für Elektrofahrzeuge erfolgen würde, könnte dies den Bedarf an neuen Kraftwerken verringern oder eliminieren.
Der Spitzenstromverbrauch tritt häufig an Sommernachmittagen und -abenden auf, wenn die Solarenergieerzeugung zurückgeht. Ein Überangebot an Strom während der Mittagszeit und dann ein Rückgang in den Abendstunden kann zu einem eingeschränkten Solarstrom und einem ineffizienten Hochfahren von mit fossilen Brennstoffen betriebenen Anlagen führen, um den Spitzenwert am frühen Abend zu erreichen, der oft als „Entenkurve“ bezeichnet wird. Wenn Autofahrer hauptsächlich nachts zu Hause laden, könnte das dazu führen, dass a 25% Anstieg der Spitzennettostromnachfrage, wenn Staaten 50 % des Elektrofahrzeugbesitzes erreichen und möglicherweise die Netzkapazität bei noch höheren Eigentumsanteilen übersteigen.
Das Szenario, dass das Spitzenladen am frühen Abend während der Sommermonate mit höherem Bedarf mit dem Spitzenstromverbrauch der Haushalte zusammenfällt, bereitet vielen Menschen Sorgen. „Angesichts der Tatsache, dass viel öffentliches Geld in den Ausbau der Ladeinfrastruktur fließt“, sagt MIT-Co-Autorin Jessica Trancik, „wie schafft man Anreize für den Standort, damit dieser effizient und effektiv in das Stromnetz integriert wird, ohne dass ein viel zusätzliche Kapazitätserweiterung?“
Was kann in der Tat getan werden, um die Auswirkungen des Ladens von Elektrofahrzeugen auf das Stromnetz zu minimieren?
Geplantes, strategisches Aufladen von Elektrofahrzeugen
Ladesteuerung und Infrastrukturausbau sind entscheidende Faktoren für die Gestaltung der Ladelast. Im Neuen lernen, stellten MIT-Forscher fest, dass es möglich ist, Ladeprobleme von Elektrofahrzeugen zu mindern oder zu beseitigen, ohne dass fortschrittliche technologische Systeme mit angeschlossenen Geräten und Echtzeitkommunikation erforderlich sind, die die Kosten und den Energieverbrauch erhöhen könnten. Stattdessen empfehlen sie, die strategische Platzierung von EV-Ladestationen zu fördern, anstatt zuzulassen, dass EV-Ladegeräte nur aufgrund der Bequemlichkeit oder Präferenzen des Ladeunternehmens aufgestellt werden.
Wo würden sich solche EV-Ladegeräte befinden? Und warum?
- Arbeitsplätze: Eine bessere Verfügbarkeit von Ladestationen an Baustellen könnte dazu beitragen, die mittags erzeugte Spitzenleistung von Solarstromanlagen abzufangen. Darüber hinaus kann eine Überproduktion von Strom aus Solarparks tagsüber wertvolle Stromerzeugungskapazität verschwenden. Das Laden am Arbeitsplatz reduziert die abendliche Spitzenlast durch das Laden von Elektrofahrzeugen und nutzt auch die Solarstromleistung. „Langsames Laden am Arbeitsplatz kann schnelleren Ladetechnologien vorzuziehen sein, um eine höhere Nutzung der Solarressourcen zur Mittagszeit zu ermöglichen“, sagt Co-Autor Wei Wei.
- Laden zu Hause: Dieser Begriff bezieht sich allgemein auf Ladeeinrichtungen in einzelnen Garagen oder Parkplätzen, aber auch auf Ladestationen, die auf Parkplätzen an der Straße und auf Parkplätzen in Wohngebäuden verfügbar sind. Jedes EV-Ladegerät, das zu verzögerten Zeiten vorprogrammiert ist, könnte von einer einfachen App begleitet werden, um die Zeit für den Beginn seines Ladezyklus abzuschätzen, damit es aufgeladen wird, kurz bevor es am nächsten Tag benötigt wird. Im Gegensatz zu anderen Vorschlägen, die eine zentralisierte Steuerung des Ladezyklus erfordern, benötigt ein solches System keine Kommunikation von Informationen zwischen Geräten. Der Grund, warum es so gut funktioniert, erklärt Trancik, liegt in der natürlichen Variabilität des Fahrverhaltens zwischen Individuen in einer Population.
Die Kombination der beiden Maßnahmen – Laden am Arbeitsplatz und verzögertes Laden zu Hause – würde laut Studienergebnissen den Spitzenstrombedarf reduzieren, Solarenergie speichern und den Ladebedarf der Fahrer an allen Tagen bequem decken.
Um die öffentlichen Mittel optimal zu nutzen, damit ein strategisches Aufladen von Elektrofahrzeugen stattfindet, sagt Trancik: „Sie können Anreize für Ladeinstallationen schaffen, die idealerweise einen Wettbewerbsprozess durchlaufen würden – im privaten Sektor würden Unternehmen für verschiedene Projekte bieten, aber Sie können Anreize für die Installation schaffen Laden zum Beispiel am Arbeitsplatz, um beide Vorteile zu nutzen.“
Vorprogrammiertes Laden, keine vernetzten Geräte
Die Beschränkung der Lösungen auf solche, die vorprogrammiert werden können und daher keine vernetzten Geräte erfordern, unterscheidet sich von anderen Ideen, um den Druck von Elektrofahrzeugen auf das Stromnetz zu verringern. Die MIT-Studienlösungen erfordern keine Verhaltensänderung seitens der Fahrer in Bezug darauf, wo und wann sie zwischen den Fahrten anhalten, obwohl sich andere Verhaltensweisen wie das Auffinden von Ladegeräten und das Anschließen von Fahrzeugen ändern müssten. Das Laden am Arbeitsplatz erweist sich als einfache und effektive Lösung, um sowohl den Spitzenanstieg als auch das Überangebot an PV einzudämmen. Zeitpläne und Standorte von Fahrzeugen bleiben vor und nach der Implementierung der zeitversetzten Aufladung unverändert, und die simulierten Verhaltensweisen, wie beispielsweise eine Präferenz für das Aufladen am Arbeitsplatz oder das Verzögern des Aufladens zu Hause, können durch Hebel wie etwa entsprechend gestaltete Preisgestaltungsschemata erreicht werden.
Durch verzögertes Laden zu Hause wird der Anstieg des abendlichen Spitzenbedarfs an Strom nahezu eliminiert. In diesem Fall würden die Fahrer den Ladevorgang so vorprogrammieren, dass er eine festgelegte Zeitspanne vor der Abfahrt am Morgen beendet. Schwankungen bei den Ladeanforderungen und Abfahrtszeiten bedeuten, dass diese Lösung voraussichtlich nicht zu den starken Rampenraten führen wird, die mit einigen tageszeitbasierten Ladesystemen verbunden sind.
Angesichts der erheblichen Akzeptanz von PV und BEV, aber hauptsächlich des Ladens zu Hause, sind übermäßige Spitzenlasten durch das Laden und die mittägliche Übererzeugung von PV sowohl in New York als auch in Dallas besorgniserregend. Der Beginn des Ladevorgangs bei der Ankunft der Fahrer reduziert den BEV-Beitrag zur Abendspitze um 70 % in New York und 80 % in Dallas, und der BEV-Beitrag zur Abendspitze wird praktisch eliminiert, wenn das Laden am Arbeitsplatz mit dem verzögerten Laden zu Hause kombiniert wird.
Studieren des täglichen Ladens von Elektrofahrzeugen
Die Forschung wurde in New York und Dallas durchgeführt. Ein analysiertes Fahrzeug war ein Nissan Leaf mit einer 62-kWh-Batterie als repräsentatives kostengünstigeres BEV. Die Forscher folgerten, dass der Leaf die Reichweitenanforderungen von 93 % bzw. 91 % der Fahrzeuge in Dallas bzw. New York an einem bestimmten Wochentag mit einmal täglicher Aufladung und 95 % bzw. 93 % erfüllen konnte, wenn auch am Arbeitsplatz Lademöglichkeiten der Stufe 1 verfügbar waren. Diese Schätzungen basierten auf der Annahme, dass sich bestehende Fahrpläne nicht ändern und das Aufladen an Orten erfolgt, an denen für die Dauer, in der das Fahrzeug geparkt ist, aufgeladen werden kann.
An Tagen mit extremer Hitze führte das Aufladen von Elektrofahrzeugen dazu, dass der höchste beobachtete stündliche Bedarf in beiden Städten um etwa 5 % bis 10 % anstieg, ein Effekt, der noch verstärkt wird, da Spitzenladelasten in der Regel am frühen Abend mit Spitzenlasten zusammenfallen. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die Mittagsüberlastung hingegen das ganze Jahr über stattfindet und in den Frühlings- und Herbstmonaten am stärksten ist, wenn an manchen Tagen bis zu 30 % der PV-Erzeugung mit der Grundlasterzeugung konkurrieren.
Die Daten wurden unter anderem aus anonymisierten Aufzeichnungen gesammelt, die über Bordgeräte in Fahrzeugen und Umfragen gesammelt wurden, die sorgfältig Stichproben aus der Bevölkerung erhoben, um unterschiedliche Reiseverhalten abzudecken. Sie zeigten, zu welchen Tageszeiten Autos genutzt werden und wie lange und wie viel Zeit die Fahrzeuge an verschiedenen Orten verbringen – Wohnen, Arbeitsplatz, Einkaufen, Unterhaltung und so weiter.
Die Ergebnisse, sagte Trancik MIT-Nachrichten, „runden das Bild bei der Frage ab, wo Ladegeräte strategisch platziert werden sollten, um die Einführung von Elektrofahrzeugen zu unterstützen und auch das Stromnetz zu unterstützen.“ Diese Studie bietet politischen Entscheidungsträgern Orientierungshilfen, wo Regeln und Anreize zu konzentrieren sind.
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