Projektinhalte

Zum Jahresende 2017 hatte die RWTH Aachen die Partner des SLAM-Förderprojektes zu einer zweitägigen Veranstaltung eingeladen. Es wurden Ergebnisse präsentiert, es wurde diskutiert und die weiteren Aktivitäten geplant. Nach einem ersten Tag im Kreise der SLAM-Konsortialpartner hatten am zweiten Tag auch assoziierte Partner die Möglichkeit zum Austausch über den aktuellen Stand des Projektes.

Unter anderem hat die Universität Stuttgart Zwischenergebnisse zur Untersuchung der Geschäfts- und Betreibermodelle vorgestellt, seitens BMW gab es einen Bericht zu den Untersuchungen von eRoaming und Ad-hoc-Laden, und Volkswagen stellte den Prototyp eines „Golden Test Device“ (GTD) als „Live“-Demo vor. Auch die RWTH Aachen und der DG VERLAG präsentierten ihre aktuellen Ergebnisse zum Lade-Standorttool, zur Nutzerbefragung und zum Referenzaufbau von Schnellladeinfrastruktur.

Eine elementare Aufgabe des Forschungsprojektes SLAM ist der Know-How Aufbau für eine nachhaltige flächendeckende Ladeinfrastruktur. Dafür ist langfristig nicht nur die Anzahl von Schnellladestationen ausschlaggebend, sondern auch deren Platzierung.

Das im Projekt SLAM entwickelte Standortfindungsmodell STELLA nutzt Methoden und Datenstrukturen ähnlich zu Verfahrensweisen aus dem Bereich der Verkehrsmodellierung. Die Ausgabe des Modells stellen Ladebedarfe für Elektromobilität dar, die in Standortpotentiale für elektrische Ladeinfrastruktur überführt werden. Eine Skalierung sowohl der Eingangs- als auch der Ausgabeparameter, je nach betrachteter Fragestellung, ist durch den modularen Aufbau möglich. Innerhalb der Modellierung wurden mehrere Indikatorgruppen einerseits zur Beschreibung und andererseits zur räumlichen Verortung der täglichen Mobilität der Bevölkerung in einem spezialisierten, deutschlandweiten Verkehrsmodell zusammengestellt. Das Nutzerverhalten, die Verteilung von Fahrzeugen, die bereits existierende Ladeinfrastruktur sowie Raumstrukturen und die vorhandenen verkehrlichen Infrastrukturen bilden dabei die Grundlage für die weiteren Berechnungsschritte. Das darauf beruhende primäre Modellierungsergebnis des STELLA-Ansatzes beschreibt für jedes Stadtquartier des gesamten Planungsgebietes „Deutschland“ das Potential der zu erwarteten Ladungen in Abhängigkeit von benötigter Ladeleistung und erwarteter Aufenthaltszeiten.

Im Rahmen des Arbeitspaketes 2 werden Geschäfts- und Betreibermodelle für Schnellladestationen analysiert und weiterentwickelt. Die Frage, ob und wie mit dem Verkauf von Ladezeit bzw. Ladestrom aktuell und in Zukunft überhaupt ein valides Geschäftsmodell aufgezogen werden kann, wird im vorliegenden Arbeitspaket behandelt. Dazu wird u. a. auf die Erfahrungen der SLAM-Investoren und die Nutzungs- bzw. Ladedaten aus dem SLAM-Schnellladenetz zurückgegriffen.

Die Nationale Plattform Elektromobilität (NPE) hat bereits im Jahr 2015 dargestellt, dass mit dem Aufbau von Schnellladestandorten durchschnittlich sehr hohe Investitionskosten einhergehen. Ebenso kritisch sind jedoch die elementaren finanziellen Unterschiede bei ähnlich aufgebauten Standorten, insbesondere bei großen Lade-Hubs mit einer Vielzahl von leistungsintensiven Schnellladestationen (vgl. Abb. 1). Gerade die Themen Netzanbindung und Baukostenzuschuss, aber auch Tiefbau können die Wettbewerbsfähigkeit einzelner Standorte gefährden.

Aktuelle Ladedaten (vgl. Abb. 2) der analysierten Standorte zeigen, dass – zumindest aktuell – für teure Standorte noch keine Möglichkeit zur Refinanzierung über den Verkauf von Ladestrom besteht. Bei dieser Momentaufnahme muss berücksichtigt werden, dass einige Standorte bereits für den zukünftigen Bedarf der Elektromobilität ausgelegt sind. So sind manche Schnellladestationen hochleistungsbefähigt, d.h. die Stromversorgung ist größer dimensioniert (und damit teurer) als es heutige Fahrzeuge erfordern würden.

Grundsätzlich haben sich alle in SLAM betrachteten Investoren hinsichtlich ihres Geschäftsmodelles weiterentwickelt. Marketingaspekte und der Verkauf von Ladestrom sind zwar weiterhin Bestandteil der Geschäftsmodelle, es gab jedoch in allen Bereichen evolutionäre Sprünge. Neben der Nutzung der Ladestation als Ergänzung zum Kerngeschäft, sind neue Aktivitäten entstanden, um das aufgebaute Know-How zu nutzen, bspw. mit neuen Contracting-Angeboten (vereinfacht gesagt: Trennung der Rolle des Investors von der Rolle des Betreibers). Aber auch die Entwicklung hin zum Mobilitätsanbieter, mit der Ladestation als Kristallisationspunkt, wurde beobachtet. Insgesamt gab es bei der grundsätzlichen Ausrichtung der Geschäftsmodelle kein richtig oder falsch, jedoch ist insbesondere die Tarifgestaltung ein Thema, das über eine beträchtliche Hebelwirkung verfügt. Eine abschließende Bewertung ist momentan noch nicht möglich, da die Marktdurchdringung der Elektrofahrzeuge insgesamt noch zu gering ist.

Die Themen „eRoaming“ und „Ad-hoc-Laden“ waren Kernbestandteile dieser Untersuchung, da sie die Möglichkeit einer kundenfreundlichen überregionalen Nutzung von Ladeinfrastruktur bieten. Mit dem „eRoaming“ werden Ladesäulen und Ladekartenanbieter in ein Netzwerk eingebunden, welches die Nutzung aller angeschlossenen Ladesäulen mit allen eingebundenen Ladekarten ermöglicht. Ist ein Ladevorgang außerhalb des Netzwerkes notwendig oder hat der Kunde keine RFID-Ladekarte oder passende App, so erhält er mit dem Ad-hoc-Laden dennoch die Möglichkeit, gegen sofortige Bezahlung zu laden.

SLAM bildet daher nicht nur die Brücke zwischen den Elektromobilitäts- und Schaufensterprojekten in Deutschland, sondern auch einen wesentlichen Baustein für Deutschland innerhalb der „Pan-European eRoaming Initiative“, welche die grenzüberschreitende Vereinheitlichung und Zusammenführung des eRoamings anstrebt.

Die Ergebnisse sind unter anderem in einer Informationsbroschüre zu Zugangs- und Abrechnungssystemen dargestellt, die Sie hier zum Download vorfinden: Übersicht Marktentwicklung und Bedarf zu eRoaming und Ad-hoc-Laden

Zur Vermeidung von Überlastungen des Elektrizitätsverteilungsnetzes sind bei der Standortwahl lokal verfügbare Netzkapazitäten zu berücksichtigen. Das Institut für Hochspannungstechnik hat ein Simulationsverfahren entwickelt, mit dessen Hilfe u. a. verfügbare Netzkapazitäten bestimmt werden können. Mit Unterstützung der Netze BW GmbH und der Netzgesellschaft Düsseldorf mbH konnte das Verfahren an Verteilungsnetzen von Stuttgart und dem Düsseldorfer Süden erprobt werden. Beide Städte weisen insgesamt ausreichend hohe Kapazitäten für Schnellladeinfrastruktur auf.

Die Ladevorgänge der Elektrofahrzeuge haben eine Erhöhung der Stromlast zur Folge. Im Rahmen von SLAM werden die konkreten Auswirkungen dieser zusätzlichen Last untersucht. Dazu wird zunächst das Fahrverhalten der Elektrofahrzeuge simuliert und der Ladelastgang abgeleitet. Anschließend wird eine Simulation des Kraftwerkseinsatzes zur Deckung der Strombedarfe durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz von Schnellladesäulen selbst bei einer Durchdringung von 1.000.000 Elektrofahrzeugen nur geringe Auswirkungen auf den Kraftwerkseinsatz hat.

Die Anlage umfasst mit über 30 AC Ladestationen für Elektrofahrzeuge und zwei DC Schnellladesäulen mit einer Spitzenlast von über 500 kW eine der größten Ladeinfrastrukturen in einem Parkhaus. Der komplette Fahrstrom wird von einer Photovoltaikanlage produziert. Erzeugung und Verbrauch können dabei mit Hilfe eines Lithium-Ionen-Batteriespeichers optimal aufeinander abgestimmt werden. Mit dem europaweit ersten LOHC-Wasserstoffspeicher im Regelbetrieb kann Wasserstoff molekular in einem Trägeröl gebunden werden. Aufwändige Druckspeicher oder Kühlanlagen für Flüssigwasserstoff können somit entfallen. Mit 2.000 kWh stellt er im Micro Smart Grid einen Hochenergie- und Langzeitspeicher dar, der über eine Brennstoffzelle an die Stromversorgung angebunden ist. Die Komponenten des Micro Smart Grids werden über einen innovativen Gleichstromzwischenkreis energetisch angebunden und mittels selbst entwickelter intelligenter Steuerungen überwacht und betrieben. Somit ist es möglich, die Netzbelastung, die unter anderem durch die Schnellladestation entstehen kann, lokal zu reduzieren. Des Weiteren sind die Ladestationen dabei an das Dispositionsmanagementsystem »EcoGuru« angebunden, welches Fahrzeugbuchungen und Lademanagement optimal vereint. Mit einem übergeordneten Energiemanagementsystem werden Energieerzeuger, -speicher und -verbraucher aufeinander abgestimmt und hinsichtlich verschiedener Optimierungsziele gesteuert. Über Simulationsschnittstellen, dynamische Strompreismodelle und eine prognosebasierte Analagenführung können zukünftige Betreibermodelle schon heute in der Praxis evaluiert werden.

Im Zuge des Projektes SLAM wurde eine Schnellladesäule mit einer Ladeleistung von insgesamt 193 kWp in das Micro Smart Grid integriert. Selbstentwickelte Steuersysteme zur Spitzenlastbegrenzung glätten diese hohen Lasten und ermöglichen somit einen netzdienlichen Betrieb.

Um die Auswirkungen durch Schnellladen auf das Stromnetz und das Fahrzeug zu evaluieren, wurden Elektrofahrzeuge verschiedener Generationen getestet und ausgewertet. Um die Netzbelastung abzubilden, spielt die Leistungsspitze und der Leistungsverlauf eine entscheidende Rolle. Die Unterscheidung von Sommer- und Winterladungen ist dabei nicht zu vernachlässigen (vgl. Abb. 2 und 3). Weitere Auswertungen finden Sie in dem Paper „Göhler (2017): Technical Data Analysis and Power Grid Effects of Fast Charging Processes of Electric Vehicles”.

Um die Forschungsziele im Projekt SLAM zu erreichen, sind genaue Informationen von sehr vielen Schnellladepunkten notwendig. Daher wurde bzw. wird im Rahmen von SLAM ein deutschlandweites Schnellladenetz aufgebaut und beforscht (vgl. Abb. 1).

Ziel war und ist es, dieses Forschungsladenetz gemäß den wissenschaftlichen Fragestellungen bedarfsgerecht zu errichten. Daher ist das Arbeitspaket 7 „Aufbau des Forschungsladenetzwerkes“ Grundlage für jedes einzelne der wissenschaftlichen Arbeitspakete. Zum einen wird das Standortkonzept und Simulationstool (AP 1) für die Entscheidungen im Auswahlgremium zur Beurteilung der eingereichten Standortbewerbungen genutzt. Gleichzeitig helfen die aufgebauten Standorte, unter Zuhilfenahme der gewonnenen Ladedaten, das in SLAM entwickelte Simulationstool zu validieren. Ein weiterer Untersuchungsgegenstand (AP 2) sind die Geschäftsmodelle der Investoren. Dafür werden getroffene Annahmen mit Hilfe der o. g. Ladedaten überprüft und das Nutzungsverhalten analysiert, um weitere Erkenntnisse zu gewinnen. Somit wird der theoretische Rahmen verlassen und anhand realer Daten untersucht, welche Einflüsse die verschiedenen Unternehmungen positiv oder negativ verlaufen lassen. Darüber hinaus spielen Themen wie Zugang und Abrechnung, Preisgestaltung, Standortkriterien und Lage im Netzwerk eine zentrale Rolle.

Status Quo des Forschungsladenetzwerkes:

Aktuell sind 66 Standorte mit insgesamt 238 Schnellladepunkten von 10 SLAM-Investoren aufgebaut. Insbesondere die Standortsicherung an zentralen und achsnahen Hot Spots bleibt ein zeitaufwendiges Unterfangen (vgl. Abb. 2). Ebenso sind Genehmigungsverfahren und administrative Prozesse bei Ämtern und Behörden noch nicht eingespielt, sodass es z. T. zu unkalkulierbaren Verzögerungen kommt. Bis Mitte 2018 soll der Aufbau des Forschungsladenetzwerkes abgeschlossen sein, damit dann auch alle wissenschaftlichen Arbeiten erfolgreich zu Ende gebracht werden können.