Ladesysteme für E
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21.10.2011 Ladesysteme für E-Fahrzeuge Netzintegration von Elektrofahrzeugen. Wie und Warum? Smart Grid Integration von Elektrofahrzeugen Dominik Noeren Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Mit Spannung Mobil 2011 Schopfheim, 21.10.2011 © Fraunhofer ISE Fraunhofer ISE Wer wir sind und was wir tun © Fraunhofer ISE Präsentation Fraunhofer ISE, D.Noeren, Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 1 21.10.2011 Das Fraunhofer ISE in a Nutshell Größtes europäisches Solar-Forschungsinstitut mit über 1000 Mitarbeitern (incl. Studenten) » Forschung » Entwicklung » Dienstleistung Finanzierung: Grundfinanzierung: 10% Vertragsforschung 90% (45% Industrie, 45% öffentlich) Arbeitsbereiche: Energieeffiziente Gebäude und Gebäudetechnik Angewandte Optik und funktionale Oberflächen Solarthermie Silicium-Photovoltaik Alternative PhotovoltaikTechnologien Regenerat. Stromversorgung Wasserstofftechnologie € 62M Budget (2010) >10% Wachstum p.a. Außenstellen: ISE Freiburg CSP Halle THM Freiburg LSC Gelsenkirchen CSE Bosten © Fraunhofer ISE ISE-Kompetenzen im Bereich Elektromobilität Smart Grid: Energiemanagement, Netzintegration, Lade- und Rückspeisungskonzepte Authentifizieren, messen und abrechnen IKT/ Kommunikationslösungen Batteriesystemtechnik Leistungselektronik (Bidirektionaler On-Board Lader, Bidirektionaler Schnelllader) Brennstoffzellentechnik Ladestationen/ Wasserstofftankstellen © Fraunhofer ISE Präsentation Fraunhofer ISE, D.Noeren, Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 2 21.10.2011 - Gruppe IES/Smart Grids Kompetenzen in Forschung, Entwicklung und Demonstration Economy and System Integration Energy Gateways and Electric Mobility Energiewirtschaft und Systemintegration: Analysen, Studien und Consulting zu Energiewirtschaft, -gesetzgebung, -politik sowie Entwicklung von Geschäftsmodellen Energiemanagement und Netze: Elektrische und thermische Energiesysteme auf Verteilnetzebene. Modellierung und Simulation von Netz- und Energiesystemen, Optimierung, Demonstration im Smart Energy Lab Energie-Gateways und Elektromobilität: Software- und Hardwareentwicklung, EmbeddedSysteme, Smart Metering Prototyping, Kommunikationstechnologien Benutzerverhalten und Feldtests: Verhaltenswissenschaften, sozio-ökonomische Wissenschaften, Feedback-Analyse, Statistik und Stochastik Energy Management and Grids User Behaviour and Field Tests © Fraunhofer ISE …die nächsten Minuten… 1. Elektromobilität im Alltag 2. Ökologischer Aspekt der Elektromobilität 3. Der Wandel zur grünen Energieversorgung der Zukunft 4. Die Bedeutung von Elektrofahrzeugen im Smart Grid 5. Intelligent gesteuerte Ladung der Batterien 6. Elektromobilitätsprojekte am Fraunhofer ISE © Fraunhofer ISE Präsentation Fraunhofer ISE, D.Noeren, Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 3 21.10.2011 Elektromobilität im Alltag • Verfügbarkeit • Vor- und Nachteile © Fraunhofer ISE Verfügbarkeit von Fahrzeugen Segway (derzeit noch patentiert) Tazzari (im Fremdvertrieb) div. Elektrofahrräder Smart und Think (derzeit Leasing) div. Elektroroller Fraeger Stroms batterieel. 120km/h, 65PS div. Kleinfahrzeuge/ Dreiräder (z.B. Twike und Sam) Mitsubishi IMiEV Citroën C-Zero Peugeot iOn (im Direktvertrieb) © Fraunhofer ISE Präsentation Fraunhofer ISE, D.Noeren, Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 4 21.10.2011 Vorteile und Nachteile von Elektromobilität Die untenstehende Liste führt die wichtigsten Vor- und Nachteile von Elektromobilität auf: Vorteile (zum Teil optional) Lokale Emissionsfreiheit •Elektrofahrzeuge stoßen keine Abgase aus und sind leise . . •Durch den Einsatz von Erneuerbarer Energie kann die CO2-Emission von ca. 170g auf 10g/km reduziert werden ökologische Mobilität Effizienzsteigerung •Die Effizienz von batterieelektrische Fahrzeuge (ca. 70%) ist ca. 3x so hoch wie beim Verbrennungsmotor (ca. 20%) Geringere Energiekosten •Die Energiekosten pro 100km können von ca.11 Euro auf ca. 3 Euro reduziert werden (Entwicklung sehr fraglich!) Mögliche Smart Grid Integration •Elektrofahrzeuge können durch ihre langen Standzeiten gut zum Lastmanagement beitragen Neue Märkte •Elektromobilität erschließt weltweit einen neuen Markt (Aus Marktdruck heraus) Versorgunssicherheit Energie •Verringerung der Ölimportabhängigkeit, lokale/ nationale Energieproduktion Nachteile Geringe Marktverfügbarkeit von Fahrzeugen •Derzeit nur wenige Fahrzeuge auf dem Markt; nur erste Erfahrungen mit neuen Systemen Hohe Anschaffungskosten der Fahrzeuge •Ein „Klein- bis Kleinstfahrzeug“ kostet heute ca. 20-35.000 Euro; eine hybride Oberklasse wird bei knapp unter 50.000 Euro liegen Keine flächendeckende Ladeinfrastruktur •Ladeinfrastruktur ist im öffentlichen Bereich nicht ausreichend vorhanden und teuer Lange Ladedauer •Die Dauer einer Ladung für 100km beträgt heute ca. 1 bis 8 Stunden Begrenzte Reichweite •Die Reichweite verfügbarer E-PKW beträgt ca. 60 – 120 km © Fraunhofer ISE Ökologischer Aspekt der Elektromobilität © Fraunhofer ISE Präsentation Fraunhofer ISE, D.Noeren, Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 5 21.10.2011 Treiber für Elektromobilität volkswirtschaftlich, ökonomisch: Entkoppelung von Öl und -importen technisch: Höhere Gesamteffizienz „einfache“ Technik Einbindung ins Smart Grid ökologisch: CO2-Reduktion im Individualverkehr Örtlich emissionsfreier Verkehr (Lärm bis NOx/CO2) © Fraunhofer ISE Ökologische Aspekte der Elektromobilität Wechsel im Energiemix heute: Verbrenner: Strom: Ökostrom: Strommix 2050: Deutschland heute CO2 –Emissionen PKW: nahezu 100% fossil EU-Ziel: ca.130 g CO2/km (Flotte) Deutschland heute CO2 –Emissionen Strom/EV: 600 g CO2/kWh 120 g CO2/km (0,2 kWh/km) Deutschland 2050 CO2 –Emissionen Strom/EV: 55 g CO2/kWh 11 g CO2/km (0,2 kWh/km) Quelle: BAFA/FNR 2011, BDEW/AGEB 2009, Nitsch 2008 © Fraunhofer ISE Präsentation Fraunhofer ISE, D.Noeren, Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 6 21.10.2011 Der Wandel zur grünen Energieversorgung der Zukunft • Smart Grid • Netzintegration von Elektrofahrzeugen © Fraunhofer ISE Smart Grid als intelligentes Energieversorgungsystem Konzept 0,4 kV 0,4 kV Gestern Heute und Zukunft Vernetzung und Steuerung von intelligenten Erzeugern, Speichern, Verbrauchern und Netzbetriebsmitteln in Übertragungs- und Verteilungsnetzen mit Hilfe von IKT Nachhaltige und umweltverträgliche Sicherstellung der Energieversorgung © Fraunhofer ISE Präsentation Fraunhofer ISE, D.Noeren, Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 7 21.10.2011 EV-Batterien als netzgebundene Energiespeicher Annahme je Fahrzeug: AC 10 kWh DC AC 20 h/d verfügbar (4h/d Fahrt) DC AC 10 kWh Speicher DC 3,5 kW Leistung (16A bei 230V) AC DC ca. 3h Ladezeit AC DC 230 V ~3,5 kW 230 V ~10 kV- 20 kV ~3,5 kW 230 V ~3,5 kW 230 V ~3,5 kW 230 V ~3,5 kW Speicherpotenzial 1 Mio. EV (2020 in D): Speicherpotenzial 4,5 Mio. EV (10 % in D): Speicherleistung: Kapazität: Speicherleistung: Kapazität: 2,9 GW 8,3 GWh 13,1 GW 37,5 GWh © Fraunhofer ISE EV-Batterien als netzgebundene Energiespeicher AC 10 kWh DC AC DC AC DC AC DC AC DC 230 V ~3,5 kW 230 V ~10 kV- 20 kV ~3,5 kW 230 V ~3,5 kW 230 V ~3,5 kW 230 V ~3,5 kW Installierte Pumpspeicherwerke in Deutschland: Speicherpotenzial 4,5 Mio. EV (10 % in D): Speicherleistung: Kapazität: Stromerzeugung: Jahreslaufleistung: Speicherleistung: Kapazität: ca. 7 GW ca. 40 GWh ca. 7,5 TWh/a >1000 h 13,1 GW 37,5 GWh © Fraunhofer ISE Präsentation Fraunhofer ISE, D.Noeren, Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 8 21.10.2011 Die Bedeutung von Elektrofahrzeugen im Smart Grid Energie, Leistung, Elektrofahrzeuge © Fraunhofer ISE Ladeinfrastruktur (konduktiv) und Ladestrategien Heimladung (langsam) Schnellladung (schneller) „Schuko“ „Mennekes“ CHAdeMO (Japan) 230V/ AC 16A => 3,7 kW 400V/AC bis 63A/ 43 kW 300 bis 600V/DC Bis zu 63 kW Mind. 6h für 100km 2 bis 0,5h für 100km >20Min. für 100km Batteriewechsel (schnell) Essentiell sind: …die Nutzerfreundlichkeit …die Schaffung von Standards Quelle: DGS Tomi Engel; Internet div. © Fraunhofer ISE Präsentation Fraunhofer ISE, D.Noeren, Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 9 21.10.2011 Lastveränderungen durch EV - Beispiel Freiburg Szenario: „Plug and Charge“ – ungesteuertes Laden Annahmen: Zukünftige Batteriegröße: kWh Ladeleistung: Verbrauch: 40 Veränderung des Wochenlastganges durch ungesteuertes Laden (Ladebeginn nach letzter Fahrt) 600 500 Leistung [MW] Auf den folgenden Slides werden unterschiedliche Szenarien dargestellt. Die Berechnungen fanden anhand von Netzkennwerten in Freiburg statt. 400 300 200 100 3,5 kW 0 Montag 0,2 kWh/km Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag Samstag Sonntag Zeit Weitere Werte (tägliche Fahrstrecke, Abfahrts- und Ankunftszeit) gemäß MIDStudie (25.000 Haushalte, 33.000 Fahrzeuge, 190.000 Strecken) Lastprofil Freiburg © Fraunhofer ISE Lastveränderungen durch EV - Beispiel Freiburg Szenario: „Plug and Charge“ – ungesteuertes Laden Ungesteuertes Laden direkt nach Ankunft (gemäß MIDStudie). Steigerung in den Nachtzeiten ca. 10% Größere Differenz zwischen Tag und Nacht Schlechte Ausnutzung des Kraftwerksparks Mit Erneuerbaren Energien nicht möglich! 600 500 Leistung [MW] Steigerung der Lastspitzen um ca. 50% Veränderung des Wochenlastganges durch ungesteuertes Laden (Ladebeginn nach letzter Fahrt) 400 300 200 100 0 Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag Samstag Sonntag Zeit Lastprofil Freiburg E-Mob an 3,5 kW Finanzieller Anreiz zur Ladung in Schwachlastzeiten ist sinnvoll! © Fraunhofer ISE Präsentation Fraunhofer ISE, D.Noeren, Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 10 21.10.2011 Lastveränderungen durch EV - Beispiel Freiburg Szenario: Schaltung durch zweite Tarifstufe (HT/NT) L eistu n g [MW] 500 Was passiert bei einer harten Tarifschaltung? 400 300 200 100 0 Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag Samstag 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 T arif [€] 600 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 T arif [€] Veränderung des Wochenlastganges durch einfaches tarifgeführte Beladung der Elektroflotte Sonntag Zeit Lastprofil Freiburg Tarif © Fraunhofer ISE Lastveränderungen durch EV - Beispiel Freiburg Szenario: Schaltung durch zweite Tarifstufe (HT/NT) Starke Gleichzeitigkeitseffekte Veränderung des Wochenlastganges durch einfaches tarifgeführte Beladung der Elektroflotte 600 Steigerung der Lastspitzen um ca. 150% Größere Differenz zwischen Tag und Nacht Schlechte Ausnutzung des Kraftwerksparks Mit Erneuerbaren Energien nicht möglich! L eistu n g [MW] Steigerung in den Nachtzeiten ca. 10% 500 400 300 200 100 0 Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag Samstag Sonntag Zeit Lastprofil Freiburg E-Mob an 3,5 kW E-Mob an 10kW Tarif Finanzieller Anreiz zur Ladung in Schwachlastzeiten muss „intelligent“ bzw. stufenlos gelöst sein! © Fraunhofer ISE Präsentation Fraunhofer ISE, D.Noeren, Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 11 21.10.2011 Intelligent gesteuerte Ladung der Batterien © Fraunhofer ISE Einfaches Laden (Plug n Charge) increasing complexity increasing synergy Mögliche Lademodi Laden Demand-SideManagement (DSM) Laden Vehicle-to-Grid (V2G) Laden Laden Laden Entladen Strompreis (€/kWh) 1800 700 © Fraunhofer ISE Präsentation Fraunhofer ISE, D.Noeren, Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 12 21.10.2011 Beispiel: E.ON / FhG-ISE Entwicklung Intelligentes Home Charging mit „e.box V2G“ Lademodi (nutzerselektierbar) 1) einfach – 2) gesteuert (DSM) – 3) bidirektional (V2G) Vor-kommerzieller Prototyp – erste Feldtests laufen 30cm x 30cm x 10cm Wallbox – für privaten Gebrauch Drahtlose Kommunikation & dynamische Tarifierung © Fraunhofer ISE Elektromobilitätsprojekte am Fraunhofer ISE © Fraunhofer ISE Präsentation Fraunhofer ISE, D.Noeren, Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 13 21.10.2011 Projekt „Effiziente Mobilität“ - Eckdaten Aufgabe: Einbindung von Elektrofahrzeugen in den Fuhrpark der Badenova (600 Diesel-, Benzin-, Hybrid- u. Erdgas-Fahrzeuge) Untersuchung der Eignung von Elektro-Fahrzeugen für den Fuhrparkbetrieb Optimierung des Fahrzugeinsatzes unter ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten Flotteneinsatz von Elektrofahrzeugen. Ableitung Geschäftsmodelle. Partner: Badenova, ISE Laufzeit: 2 Jahre Förderung durch den Badenova-Innovationsfond © Fraunhofer ISE Flottenversuch Elektromobilität (VW, EON,…) Entwicklung eines Plug-In-Hybrid-Fahrzeugs ;Feld-Tests mit 20 Fahrzeugen durch VW + weitere Partner Fahrzeugentwicklung Bidirektionale Nutzung der FahrzeugNetzschnittstelle Stromnetze und Infrastruktur Flottenversuch und Auswertung ISE-Aufgaben (Unterauftragnehmer von EON und VW) Konzeption der Schnittstelle Fahrzeug / Netz Energieflussmanagement stationär / mobil Kommunikation, Authentifizierung und Metering Ladekonzepte u. Aufbau Ladetechnik © Fraunhofer ISE Präsentation Fraunhofer ISE, D.Noeren, Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 14 21.10.2011 Fraunhofer-Systemforschung Elektromobilität FSEM Bündelung der technologischen Fähigkeiten von über 30 Fraunhofer-Instituten Aufbau einer umfangreichen Systemkompetenz über den gesamten Bereich Entwicklung von Komponenten und Systemen und Einbau in Demonstratoren Industriebeirat, Forum Elektromobilität, Verein Forum Elektromobilität Abschluss mit Demo des Versuchsträgers Frecc0 Anf. September in Papenburg ISE leitet 2 von 12 technischen Teilprojekten © Fraunhofer ISE Universelle Ladesäule (Prototyp) Features AC- / DC-Laden möglich Volle Kommunikation zu Nutzer, Fahrzeug, EVU Energetische Einbindung von Gebäuden (PV-, KWKAnlagen) © Fraunhofer ISE Präsentation Fraunhofer ISE, D.Noeren, Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 15 21.10.2011 Systemlösung: Fahrzeug-Netzschnittstelle AC-Stecker SP2A-AP4 Ladegerät Stromzähler Legende AC- oder DC-Strom CAN-Kommunikation Kommunikation Zentrales Steuergerät PLC EnergieManagement ECM Batterie DC-Stecker © Fraunhofer ISE Battery system EMS From cell to module to system BMS 231x179x289 mm © Fraunhofer ISE Präsentation Fraunhofer ISE, D.Noeren, Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 16 21.10.2011 Pumping System Cooling Circuit Energy and Battery Management – Architecture Vehicle Control Device Battery Charger String 1 String 2 String 3 GND_BAT Decentralized battery management system for each single battery module BMS BMS + Battery Module + Battery Module Determination of state of charge and state of health of each single cell possible Communication Bus Safety Shutdown Current Measurement Energy management system as central control unit BMS BMS BMS + Battery Module + Battery Module + Battery Module ... (12 Cells in series) BMS (Microcontroller, 12 Kalman filter, LTC6802 Voltage Measurement and Cell Balancing) Battery Module One Cell Temperature Monitoring EMS (Energy Management System) BMS BMS BMS + Battery Module + Battery Module + Battery Module © Fraunhofer ISE Communication Bus ..... BMS + Battery Module ..... BMS + Battery Module ..... BMS + Battery Module Embedded System Redundancy: 2x EMS 2x Communication GND_BAT On-Board-Ladeeinheit Leistungsdaten: Leistung 3,3 kW galvanische Trennung Wirkungsgrad ca 93% Weitere Entwicklungen / Trend: Schnellladefunktion bis 20 kW Reduzierung von Volumen und Gewicht Wirkungsgraderhöhung auf > 97-98% Energiesparend Reduzierung der Verlustwärme ermöglicht noch kompaktere Bauweise Einsatz von aktiven SiC-Bauteilen © Fraunhofer ISE Präsentation Fraunhofer ISE, D.Noeren, Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 17 21.10.2011 Bidirektionales externes Schnellladegerät (22kW) Prototyp bidirektional 3L-AC/DC- + 2-phasiger DC/DC-Wandler optim. Match Batterie-Netzspannung geringer Ripple > geringe EMVBelastung Taktfrequenz 80 kHz sehr hoher Wirkungsgrad (>96%) geringe Verlustleistung kompakter Aufbau transformatorlos klein, leicht, aber erhöhte Anforderungen an Fehlerstromerkennung Hohe Leistungsdichte 2,7 kW / Ltr. Einbau in Ladesäule oder als On-BoardVersion (Wasserkühler) © Fraunhofer ISE Gemeinschaftliche Mobilität (GeMo) Entwicklung von neuen, ganzheitlichen, intermodalen Mobilitätskonzepten Ableitung passender Geschäftsmodelle Prototypeing der relevanten Hard- und Software Ortungstechnologien Fahr- und Personenleitsysteme/ AppEntwicklung Induktives Laden Netzintegration in urbane Energieversorgungsstrukturen Laufzeit: 3 Jahre (2011- 2013) Sechs Fraunhofer Institute Eigenforschung © Fraunhofer ISE Präsentation Fraunhofer ISE, D.Noeren, Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 18 21.10.2011 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Dominik Noeren www.ise.fraunhofer.de [email protected] © Fraunhofer ISE © Fraunhofer ISE Präsentation Fraunhofer ISE, D.Noeren, Schopfheim "Mit Spannung Mobil" 19
