Warum Schnellladestationen gut für das Netz sind

28 Mai 2018

Fastned fokussiert sich ausschließlich auf Schnellladen (>50 kW). Wir bekommen viele Fragen zur Auswirkung von Schnellladen auf das Stromnetz. In diesem Blog werden einige Einblicke auf Basis von 100.000+ Schnellladevorgängen und über 5+ Jahren des Betriebs eines vertikal integrierten Schnellladenetzwerks gegeben. 

Zusammenfassung

Schnellladestationen an Mittelspannungsnetzen haben einzigartige Eigenschaften, die bei der Stabilisierung des Netzes eine Rolle spielen können und nehmen große Mengen an erneuerbarer Energie (Solar- und Windstrom) auf. 

Teil 1: Der Wert des Schnellladens für das Stromnetz 

  • Alle zukünftigen Fastned Schnellladestationen sind mit einem robusten Mittelspannungs-Verteilernetz verbunden. Dies hilft dabei, die Belastung von anfälligen  Niederspannungsnetzen umzuleiten. 
  • Schnellladestationen mit 10+ Ladegeräten sind in der Lage, hunderte von Autos pro Tag zu dienen, und dennoch, nur einen Netzanschluss zu benötigen. Dies senkt die Belastung der Anschlüsse an Netzgesellschaften drastisch.
  • Schnellladestationen, die mit einem Mittelspannungsnetz verbunden sind, sind hervorragend dazu geeignet, mit zusätzlichem Akkuspeicher ausgerüstet zu werden. Akkus vor Ort können (a) die maximale Kapazität einer Station zu Stoßzeiten (b) insgesamt steigern. Diese Akkus können dem Netzbetreiber als umfassende, flexible Quelle dienen. 

Teil 2: Der Wert des Schnellladens für die Integration erneuerbarer Energien  

  • Unsere Daten belegen, dass die Gesamtnachfrage bei unseren Schnellladestationen einer vorhersehbaren sowie stabilen Ladekurve im Laufe des Tages folgt.
  • Schnellladen geschieht hauptsächlich tagsüber, wenn die Sonne scheint und mehr und mehr erneuerbare Energie produziert wird. Der vergrößerte Vorrat an Solarenergie kann somit unmittelbar beim Schnellladen aufgenommen werden.   
  • Schnellladen ist komplementär zum Langsamladen (was meistens in der Nacht stattfindet). Schnellladen kann deswegen dabei helfen, die Gesamtnachfrage des Ladens über 24 Stunden zu verteilen. 
  • In der Zukunft, mit mehr selbstfahrenden EVs auf der Straße, kann der Nutzen für das Netz & die Annahme erneuerbarer Energien weiter gesteigert werden. Vollständig autonome EVs können für die Optimierung des Schnellladens zu Zeitpunkten hohen Outputs erneuerbarer Energien dynamisch auf Preissignale von Schnellladestationen reagieren. 

Teil I: Das Netz

Wenn wir den Klimawandel auf unserem Planeten bis ins Unkenntliche verhindern möchten, sollten wir mindestens diese zwei Dinge so schnell wie möglich tun:  

  1. Transport, Heizung, Industrie und weitere wirtschaftliche Aktivitäten elektrifizieren 
  2. Erneuerbare Energien wie Solar- und Windstrom in riesigem Maßstab einsetzen, um die elektrische Generation zu säubern 

Der Energiewandel wird auf diese Weise zur Elektrifizierung vieler Dinge führen, die sich gegenwärtig auf die Verbrennung fossiler Brennstoffe stützen: Industrie, Heizung, Mobilität. Die elektrische Generation und die Nachfrage werden in den kommenden Jahrzehnten sprunghaft anwachsen und die Stromnetze der Industrieländer belasten. 

Fastned denkt seit Jahren darüber nach, wie Schnellladen am vorteilhaftesten für das Stromnetz in einer derartigen Zukunft sauberer Energie sein könnte. Wir sind zu der Überzeugung gekommen, dass eine strategische Entwicklung von Schnellladestationen dabei helfen kann, die Auswirkungen elektrischer Mobilität auf das Netz zu minimieren.  

Die Auswirkungen auf das Niederspannungsnetz minimieren 
Elektrizität nach Hause zu bekommen, beinhaltet normalerweise drei „Spannungs-Schritte“ des Netzes: 

Kraftwerk → Hochspannung → Mittelspannung → Niederspannung → Häuser & Unternehmen

Das Niederspannungsnetz ist der letzte Schritt des Netzwerks, das Häuser und Unternehmen mit Strom versorgt. Es ist außerdem mit Abstand das Anfälligste, weil es normalerweise für eine sehr geringe Nutzung ausgelegt ist. Darüber hinaus werden Elektrowärmepumpen installiert, Sonnenkollektoren kommen aufs Dach und es wird angefangen, mit Strom zu kochen. Alle diese zusätzlichen Aktivitäten werden das Niederspannungsnetz besonders belasten.  

Deswegen schließt Fastned seine Schnellladestationen direkt an einem Mittelspannungsnetz an – demzufolge das Niederspannungsnetz überbrückend. Die Leistungsaufnahme von Schnellladestationen ist einfach zu viel für ein Niederspannungsnetz. Das Mittelspannungsnetz ist so konzipiert, dass die Belastung des Schnellladens viel besser bewältigt werden kann. Es ist ein Mythos, dass Schnellladen von Natur aus schlecht für das Netz ist; es ist nur nicht für Niederspannungsnetze geeignet.  

Bei Schnellladestationen, benötigen wir weitaus weniger zusätzliche Netzanschlüsse 
Ein einziger Mittelspannungsnetzanschluss kann sehr effektiv zur Stromlieferung für eine große Anzahl von EVs genutzt werden. Lassen wir uns konservativ annehmen, dass die tatsächliche durchschnittliche Geschwindigkeit des Schnellladens 125 kW erreichen wird (dies ist keine spekulative Geschwindigkeit, da dies die aktuelle, maximale Ladegeschwindigkeit von Tesla Fahrzeugen ist). Lassen wir uns außerdem annehmen, dass ein Schnellladegerät im Durchschnitt nur 8 Stunden am Tag aktiv ist. Das sind 1.000 kWh (8 Stunden * 125 kW) pro Schnellladegerät pro Tag. Es kommt noch besser. Schnelladegeräte können bei einer Station gebündelt werden. Auf diese Weise kann eine einzige Station mit 10 einzelnen Schnellladegeräten 10.000 kWh pro Tag liefern. Zum Vergleich: Ein durchschnittliches Langsamladegerät (mit doppelter Steckdose) in den Niederlanden liefert 2016 8,5 kWh pro Tag. Natürlich wird diese Zahl ansteigen, wenn mehr Autos vollständig elektrisch sind, 3 Größenordnungen (10 kWh gegen 10.000 kWh) sind allerdings ein ziemlicher Unterschied. 

Trotzdem benötigt eine Schnellladestation nur einen MW Netzanschluss, eine Genehmigung und einen Bruchteil der Fläche, verglichen mit öffentlichem Langsamladen. Um die gleiche Ladekapazität zu bieten, sind 1.000 Langsamladegeräte und 1.000 einzelne LV Netzanschlüsse notwendig. Jeder Netzanschluss erfordert eine Genehmigung, Bauarbeiten und Bürokratie. Und nicht zu vergessen, dass Netzgesellschaften bereits große Schwierigkeiten haben, geeignetes Personal zu finden (zumindest in den Niederlanden). Die Realisierung von vielen kleinen Netzanschlüssen für öffentliche Langsamladegeräte könnte zu einem Engpass in der Infrastruktur des Ladens führen, wenn Autohersteller mit den Massenproduktionen beginnen und sich EVs in großer Anzahl auf den Weg machen.  

Einfache Integration von Akkuspeichern bei Schnellladestationen für die Maximierung des Potenzials von Netzanschlüssen 
Akkus sind ein perfekter Match für Schnellladestationen, weil sie die Kapazität einer Schnellladestation jenseits der Kapazität des Netzanschlusses steigern können und dem Netz außerdem Dienste liefern. Eine allmähliche Hinzufügung von Akkus auf Schnellladestationen wird das Netz weiter stabilisieren und es den Stationen ermöglichen, ihre Kapazität zu Stoßzeiten zu steigern.

Mehr Ladekapazität mit demselben Netzanschluss 
Es kann gute Gründe geben, die maximale Nachfrage bei einem Netzanschluss kontrollieren zu können oder von einem Upgrade eines Netzanschlusses abzusehen. Beispiele sind: kW max. Kapazitäten, Limits des lokalen Mittelspannungsnetzes, Entfernung vom Mittelspannungsnetz, außerordentlich hohe Kosten für größere (d. h. 2MW+) Netzanschlüsse.

Mit der wachsenden Nachfrage der EVs für Schnellladen, können beschränkte Kapazität oder hohe kW max. Kapazitäten zu einem Engpass beim Wachstum des Schnellladens führen. Zu Stoßzeiten (wenn alle Ladegeräte besetzt sind), wird die Belastung pro Station sehr kostspielig oder den Netzanschluss der entsprechenden Station übersteigen. Obwohl ein Upgrade der Kapazität des Netzanschlusses dieses Problem lösen könnte, wäre es wirtschaftlicher, einen Akku hinzuzufügen und ihn zur Steigerung der Kapazität zu Stoßzeiten zu nutzen. Anstatt die maximale Anzahl an Ladungen pro Schnellladegerät pro Station zu beschneiden, können Akkus vor Ort vorübergehend Energie liefern, um der hohen Nachfrage zu entsprechen.   

Flexibilitätsdienstleistungen
Außer der Kontrolle der Nachfrage bei einem Netzanschluss, können Akkus bei Schnellladestationen dem Netz weitere Dienste liefern. Eine Schnellladestation mit installierten Akkus kann sich beispielsweise intelligenter verhalten und die Nachfrage vom Netz verlagern, wenn dazu eine Motivation besteht. Ein Beispiel wäre, am frühen Abend, wenn normalerweise die Stoßzeit beginnt, auf Akkustrom umzuschalten (und somit niedrigere Nachfrage). Die Colocation von Akkus bei Schnellladestationen ist wirtschaftlich, weil die Mittelspannungsnetzanschlüsse bereits an Ort und Stelle sind. Zusammengenommen wird ein Netzwerk von 1.000 Schnellladestationen mit jeweils 1MW Akku über 1GW verteilter, weitgehend flexibler Energie verfügen.

Teil II: Regenerativer Strom

In den kommenden Jahren werden sich die Stromquellen in vielen Ländern der Welt von zentral generiert und hauptsächlich fossil angetrieben zu verteilt, variabel und größtenteils erneuerbar verändern. Was bedeutet das für das Laden elektrischer Autos? 

Schnellladen →  vorhersehbare Gesamtnachfrage
Die kombinierten Ladevorgänge von Fastned (und anderen Anbietern) sorgen für eine vorhersehbare und stabile Auslastung während des Tages. Im Gegensatz zur verbreiteten Ansicht, das Schnellladen eine „stachelige” und große Leistungsaufnahme vom Netz ist, hat ein einziger Schnellladevorgang eine begrenzte Auswirkung auf das MV Netz. Mit mehr elektrischen Fahrzeugen auf den Straßen werden Schnellladestationen einen konstanten Kundenstrom haben. Wobei Ladevorgänge am besten in einer aggregierten Form betrachtet werden sollten. Auf der Grundlage unserer Daten von > 100.000 Schnellladevorgängen  (Abbildung 1), haben wir festgestellt, dass diese Nachfrage am Morgen beginnt, wenn die Menschen mit dem Autofahren anfangen und endet, wenn die Menschen am Abend nach Hause fahren. Dasselbe Muster wiederholt sich Tag für Tag. 

Schnellladen geschieht hauptsächlich, wenn die Sonne scheint (und der Strom günstig ist) 
Mit Millionen elektrischer Autos auf der Straße, wird die Nachfrage nach Strom, die sich tagsüber ergibt, in eine vorhersehbare Stromnachfrage resultieren, die teilweise von der Solar Power Generation angepasst werden kann (Abbildung 1). Und zwar sinken auf den Strommärkten tagsüber weltweit die Strompreise am Spotmarkt, weil Solarstrom die Stromnetze flutet, wenn die Sonne scheint. 

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Abbildung 1: Verteilung der Schnelladevorgänge tagsüber (24 Stunden). Es gibt eine großartige Möglichkeit, dieser Nachfrage mit der Solarstrom Generation zu entsprechen.


Tagsüber Schnellladen ergänzt nächtliches Langsamladen 
Während Schnellladen hauptsächlich tagsüber stattfindet, geschieht langsames Laden häufig in der Nacht (wenn die Menschen nach Hause kommen und ihren EV anschließen). Die Kombination von langsamem und schnellem Laden ist deswegen äußerst hilfreich beim gleichmäßigeren Verteilen über 24 Stunden. 

Shared und autonome EVs
Autonome EVs werden wahrscheinlich eine wichtige Rolle in der Zukunft der Beförderung spielen. Flotten von shared, autonomen EVs haben einen starken Anreiz, die geringstmögliche Zeit mit Aufladen zu verbringen, weil sie Geld damit verdienen, Menschen zu fahren. Es ist nicht sinnvoll, dass sie parken und am Straßenrand stundenlang laden. Wir denken, dass diese shared und autonomen EVS eine Motivation für Schnellladen sein können, wenn viel erneuerbare Energie zur Verfügung steht. Autonome EVs können eher als menschliche Fahrer (die bessere Dinge zu tun haben) auf Motive für Schnellladen reagieren, wenn die Kosten niedrig sind.  

Schlussfolgerung
Solange Schnelladestationen (1) mit dem Mittelspannungsnetz verbunden sind und (2) auf zukünftige Akkuspeicher vor Ort vorbereitet sind, können sie eine einfache und Netz-freundliche Lösung sein, große Mengen von EVS mit erneuerbarer Energie zu laden. Weil große Schnellladestationen begrenzte Landflächen und sehr wenige Netzanschlüsse benötigen, sind sie ausgezeichnet dazu geeignet, eine große Anzahl EVS zu laden, wenn elektrisches Fahren alltäglicher wird. 

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