"Energy Only" – der ewi-Blog

Das Nutzerverhalten ist entscheidend

Die Bundesregierung verfolgt ambitionierte Ziele einer Elektrifizierung des Verkehrssektors. So sollen bis 2020 eine Million Elektrofahrzeuge auf den deutschen Straßen unterwegs sein. Für Haushalte kann ein Elektrofahrzeug hierbei als Stromspeicher in Kombination mit einer Photovoltaik(PV)-Anlage genutzt werden. Während konventionelle Batteriespeicher nach heutigem Stand meist keine wirtschaftliche Investitionsoption im Haushaltsbereich darstellen, könnten Elektrofahrzeuge so jedoch für ausgewählte Speicheranwendungen in Haushalten genutzt werden. Beispielsweise kann ein Haushalt mit einer PV-Anlage das Elektrofahrzeug direkt mit Solarstrom beladen. Zudem kann nicht genutzter Strom in sonnenreichen Mittagsstunden eingespeichert werden und abends den Strombedarf des Haushalts decken. Beides reduziert Kosten, da weniger Strom aus dem Netz bezogen wird. Allerdings ist eine derartige Speichernutzung nur zu  Zeiten möglich, in denen ein Fahrzeug nicht genutzt wird und an der Ladestation angeschlossen ist. Zusätzlich muss der Speicher stets ausreichend beladen sein, um die gewünschten Strecken fahren zu können. Auch die Auswirkungen der zusätzlichen Speichernutzung auf die Lebensdauer der Batterie sind zu berücksichtigen. Im Wesentlichen determiniert somit das Nutzerverhalten den Nutzen eines Elektrofahrzeugs als Speicher im Haushalt.

Modellgestützte Analyse des Business Cases ermöglicht quantitativ unterstützte Schlussfolgerungen

Potenziale zur Kosteneinsparung ergeben sich durch ökonomisch „intelligentes“ Be- und Entladen (Smart Charging) und bidirektionale Nutzung des Elektrofahrzeugspeichers. Ein betriebswirtschaftliches Optimierungsmodell quantifiziert dies, indem die gesamten Strombezugskosten eines Haushalts minimiert werden.

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Abb. 1: Schema der betrachteten Anlagenkonstellation

Grundlage hierfür ist eine exemplarische Anlagenkonstellation, wie sie schematisch in Abb. 1 dargestellt ist. Neben einem PV-Modul besitzt der Haushalt ein Elektrofahrzeug. Bereits getätigte Investitionen in Anlagen sind folglich nicht mehr entscheidungsrelevant. Die Lebensdauerverkürzung des Speichers durch Nutzung wird jedoch als gegebenenfalls notwendige vorzeitige Wiederbeschaffung berücksichtigt. Die Speicherverfügbarkeit und notwendige Mindestfüllstände des Fahrzeugspeichers zu Fahrtbeginn sind ebenfalls wesentliche Nebenbedingungen.

Statistisches Verfahren analysiert das Nutzungsverhalten von E-Fahrzeugen

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Abb. 2: Exemplarische Ableitung einer Verteilungsfunktion für den Beginn der Fahrt zur Arbeit

Statistische Angaben bezüglich des Fahrverhaltens deutscher Fahrzeughalter wurden in exemplarische Nutzungsprofile überführt, um den Einsatz des Elektrofahrzeugs abzuleiten. Wahrscheinlichkeitsgewichtete Zufallsziehungen über zahlreiche statistische Größen  ergeben hierbei ein aggregiertes Nutzungsprofil des Elektroautos. Darin enthalten sind bspw. Fahrzeiten und Fahrstrecken.

Betrachtung des Nutzungsverhaltens für zwei ausgewählte Profile

Exemplarisch werden im Folgenden Kosteneinsparpotenziale für einen Haushalt „1“ betrachtet, der das Elektrofahrzeug häufig und insbesondere für Fahrten zur Arbeit nutzt. Der Speicher im Elektrofahrzeug steht somit lediglich am Wochenende für eine Ladung über das PV-Modul in den Mittagsstunden zur Verfügung. Haushalt „2“ nutzt das Elektrofahrzeug nur vereinzelt für kurze Fahrten, wodurch der Speicher häufig zur Verfügung steht. Für den ersten Haushalt zeigt Abb. 3 das Einsatzprofil in einer exemplarischen Woche. Die Photovoltaik-Anlage produziert Strom in Abhängigkeit von Wetterbedingungen (blaue Linie). Da Eigenverbrauch wirtschaftlicher als Strombezug aus dem Netz ist, wird PV-Strom nur ins Netz gespeist, wenn er die Nachfrage des Haushalts übersteigt (orange Fläche). Ist der Speicher des Elektrofahrzeugs zum Beladen verfügbar, wird der überschüssige PV-Strom genutzt, um das Elektrofahrzeug zu beladen. In der Abbildung ist dies am Wochenende als grüne Fläche erkennbar.

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Abb. 3: Exemplarische Woche für Verwendung des PV-Stroms

Kostenersparnis stark beeinflusst durch Nutzerverhalten

Zur Beurteilung der gesamten jährlichen Kosteneinsparpotenziale werden die Gesamtkosten des Strombezugs, also inklusive Haushaltsnachfrage und Strombedarf des Elektrofahrzeugs, verglichen. Abb. 4 zeigt, dass das Fahrverhalten signifikanten Einfluss auf die Kosteneinsparpotenziale durch bidirektionale Speichernutzung hat. Während bei Haushalt „1“ die intelligente Speichernutzung ein Einsparpotenzial von lediglich 55 € (4%) ermöglicht, können auf Grund der deutlich höheren Verfügbarkeit des Speichers im Falle von Haushalt „2“ 190 € (18%) der Strombezugskosten eingespart werden. Die Verfügbarkeit des Speichers in den Mittagsstunden, in denen eine hohe PV-Einspeisung vorliegt, bestimmt demnach das Kosteneinsparpotenzial. Weitere relevante Faktoren sind die Volllaststunden der PV-Anlage, die technischen Eigenschaften des Elektrofahrzeugs sowie das Stromnachfrageprofil des Haushalts.

Lebensdauer des Speichers durch bidirektionale Nutzung nicht verkürzt

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Abb. 4: Gesamtkosten des Strombezugs in Abhängigkeit des Nutzungsprofils

Der zusätzliche Speichereinsatz führt im gewählten Beispiel nicht zu einer kritischen Verkürzung der Lebensdauer der Batterie im Elektrofahrzeug. Daher entstehen keine zusätzlichen Kosten für den frühzeitigen Ersatz der Batterie.

Zwischenspeicherung von PV-Strom zum Eigenverbrauch eingeschränkt wirtschaftlich

Die Zwischenspeicherung von PV-Strom für den Eigenverbrauch ist nur dann möglich, wenn der erzeugte PV-Strom den Strombedarf für herkömmliche Anwendungen im Haushalt und das Beladen des Elektrofahrzeugs übersteigt. Nur so kann ein Überschuss von PV-Strom am Mittag für den Eigenverbrauch am Abend wirtschaftlich genutzt werden. Dabei gilt, dass die Verfügbarkeit des Fahrzeugspeichers sowie die entsprechende Speichergröße diese Nutzung zulassen müssen.

Zusammenfassung

Kosteneinsparungen sind durch intelligente Nutzung und bidirektionales Laden der Speicher in Elektrofahrzeugen möglich. Allerdings hängen entsprechende Potenziale direkt vom Nutzungsverhalten ab. Aus der Perspektive des Gesamtsystems führt eine zunehmende Anzahl an Elektrofahrzeugen zu erhöhtem Eigenverbrauch von Haushalten. Eine Reduktion der Spitzenlast in den Abendstunden durch Zwischenspeicherung von Strom im Elektrofahrzeug ist nicht unbedingt zu erwarten. Insbesondere hängt diese von  entsprechenden Rahmenbedingungen und Anreizen zum  Eigenverbrauch ab. Eine deutlichere Veränderung würde sich zeigen, wenn das Laden von Elektrofahrzeugen am Arbeitsplatz möglich wäre.

  • 18. Mai. 2016