Infrastrukturaufbau für Batterie- und ... · Investitionsschwerpunkt ≤3 Mio. FCEV bei H...

LBSTde 1 copy Ludwig-Boumllkow-Systemtechnik GmbH 11042018

ludwig boumllkow systemtechnik

Infrastrukturaufbau fuumlr Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeuge

Dr-Ing Ulrich Buumlnger

Ludwig-Boumllkow-Systemtechnik GmbH Ottobrunn

Seminar bdquoErneuerbare Energienldquo Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft

Fakultaumlt fuumlr Elektro- und Informationstechnik Gebaumlude LI Houmlrsaal Elektrotechnik (he)

Mittwoch 11042018 1540 Uhr ndash 1710 Uhr



Inhalte

Ludwig-Boumllkow-Systemtechnik

Herausforderungen Mobilitaumlt

Vergleich von Lade- und H2-Betankungsinfrastruktur

Zusammenfassung






Ludwig-Boumllkow-Systemtechnik GmbH (LBST)

Unabhaumlngige Experten fuumlr nachhaltige Energieversorgung und Mobilitaumlt seit 30 Jahren

Erneuerbare Energien Kraftstoffe Infrastruktur

Machbarkeitsstudien Nachhaltigkeitsanalysen technologiebasierte Strategieberatung Energiekonzepte

Konsequenter Systemansatz Denken uumlber Bereichsgrenzen hinweg

Dr Ludwig Boumllkow 1912 ndash 2003






Quelle Agora Energiewende 20092016

Energiewirtschaft (Ziel -925) Industrie (Ziel -81) Haushalte GHD (Ziel -925)

Verkehr (Ziel -925) Landwirtschaft (Ziel -60)

Sektorale THG-Emissionsreduktionsziele Deutschland



Maszlignahmen und Optionen im Verkehrssektor




Alternative Antriebe und Kraftstoffe (siehe MKS)

Reduzierung der Verkehrsleistung (Personen und Guumlter)

Wechsel zu energieeffizienteren Verkehrstraumlgern (Modal Split zum OumlPNV)

Quelle eigene Darstellung BMVBS Verkehr in Zahlen Stand Juni 2013 httpwwwbmvideSharedDocsDEAnlageMKSmks-strategie-finalpdf__blob=publicationFile

Personenverkehr Verkehrsleistung 1960-2011 (ohne Seeschifffahrt)

Guumlterverkehr Verkehrsleistung 1960-2011 (ohne Seeschifffahrt)



MKS Vereinfachte Energie-Antriebe-Matrix

Quelle eigene Darstellung BMVBS LBST Stand Juni 2013 httpwwwbmvideSharedDocsDEAnlageMKSmks-strategie-finalpdf__blob=publicationFile

Herausforderungen

Geringe Effizienz KS-Bereitstellung (CO2 aus Luft Methanisierung)

Kostenguumlnstiges biogenes CO2 regional- und potenzialbeschraumlnkt

Geringe Effizienz in VKM

Lokale Schadstoffemissionen

Laumlrmemissionen

Biomassenutzung fuumlr Transportanwendungen potenzialbeschraumlnkt

Infrastrukturentwicklung steht aus (Ladesaumlulen (Pkw) oder Oberleitungen (Lkw) bzw H2-Tankstellen)

Auswirkungen der flaumlchendeckenden Ladeinfrastruktur auf Verteilnetz



Energieintensitaumlten alternativer AntriebeKraftstoffe (PtG)

Quelle U Buumlnger H Landinger E Pschorr-Schoberer P Schmidt W Weindorf (LBST) J Joumlhrens U Lambrecht (ifeu) K Naumann (dbfz) A Lischke (DLR) Power-to-Gas (PtG) im Verkehr - Aktueller Stand und Entwicklungsperspektiven Studie fuumlr das Bundesministeriums fuumlr Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) httpwwwlbstdedownload2014mks-kurzstudie-ptgpdf19 Mai 2014

Houmlchste Effizienz von FCEV mit Wasserstoff aus Elektrolyse (PtH2)

Hoher Energiebedarf von Verbrennungsmotorfahrzeugen mit CH4 aus REG-Strom (PtCH4) (CO2-Bereitstellung Methanisierung sowie Verbrennungsmotor energieintensiv)

FCEV ohne lokale Schadstoffemissionen

Primaumlrenergieeinsatz bdquoWell-to-Wheelldquo PKW 2030 Treibhausgasemissionen bdquoWell-to-Wheelldquo PKW 2030



REG-Strombedarf alternativer Antriebskonzepte (100 km)

Quelle Agora Verkehrswende 2017 auf Basis von DLR ifeu LBST dbfz 2015

Pkw

12t Lkw 84 kWh 192 kWh 407 kWh 380 kWh

LKW 1 23 48 45

PKW 1 21 62 69

BEV FCEV(PtH2) VKM (PtCH4) VKM (PtL)








Wasserstoff-Tankstellenausbau Deutschland bis 2050

Tankstellen gesamtAutobahn 56095 (2025) 1000124 (2030) 1500355 (2035) 5600 355 (2050)

Kurzfristig nur sbquosehr kleinelsquo und sbquokleinelsquo Tankstellen langfristig fast nur sbquogroszligelsquo und sbquosehr groszligelsquo Tankstellen

Tankstellenausbau orientiert sich am Fahrzeugmarkt eilt jedoch der Entwicklung Fahrzeugzahlen voraus

Kurzfristige Auslastung der Tankstellen gering (lt50) aber deutlich steigend (gt70)

Ausbau H2-Tankstellen Auslastung H2-Tankstellen

Quelle LBST-eigene Annahmen aus Industrieprojekt 2017



Quelle Vattenfall Europe Innovation GmbH BMW AG TU Chemnitz TU Ilmenau TU Bremen Gesteuertes Laden V20 Verbundprojekt Steigerung der Effektivitaumlt und Effizienz der Applikationen Wind-2-Vehicle (W2V) sowie Vehicle-to-Grid (V2G) inklusive Ladeinfrastruktur 2011

Investkosten fuumlr BEV-Ladeinfrastruktur (Bspl Berlin)

Uumlber 20 Jahre Investitionen von 530 euroFzg (2020 36 KW Ladeleistung) bis 3200 euroFzg (2030 Ladeleistung 22 kW) erforderlich ohne Speicher zu beruumlcksichtigen

Abbildung 6 S 28 in httpwwwbmudefileadminDaten_BMUPoolsForschungsdatenbankf

kz_um_11_96_107_elektromobilitaet_bfpdf



Quelle M Robinius J Linszligen Th Grube M Reuszlig P Stenzel K Syranidis P Kuckertz D Stolten Comparative Analysis of Infrastructures Hydrogen Fueling and Electric Charging of Vehicles Energie amp Umwelt Energy amp Environment Band Volume 408 ISBN 978-3-95806-295-5

Elektrisches Ladeprofil werk- und wochenendtags

Werktags ausgepraumlgte Ladespitzen um 700-800-1000 1500-1800-2000

Bei (Verteil)Netzengpaumlssen muumlssen Nutzer ihr Verhalten anpassen (bdquoErziehungldquo durch houmlhere Kosten in Engpassperioden oder sogar Ladeverbote)

Insgesamt schlechte Ausnutzung einer groszligen Anzahl von Ladepunkten im Tagesverlauf

Abbildung 6-7 S 41 in httpjuserfz-juelichderecord842477filesEnergie_Umwelt_408_NEUpdfsubformat=pdfa



Quelle Nicolas Iwan H2 Mobility 10 Oktober 2017 Study by Prof Stolten Robinius amp team Institute of Energy and Climate Research Electrochemical Process Engineeruing (IEK-3) Department of process and systems analysis Comparative analysis of infrastructures Hydrogen fuelling and electric charging of vehicles Study for H2 Mobility Oct 2017


Stark unterschiedliche Ladeleistungen mit H2-Dispensern und Stromladern bedingen deutlich unterschiedliche Ladezeiten

ndash H2-Dispenser 3-5 Minuten (mit Vorkuumlhlung bei 70 MPa) und 5-15 Minuten (ohne Vorkuumlhlung und 35 MPa)

ndash Stromlader (Langsamladung geringe Waumlrmeverluste 37 ndash 22 kW) ge 8 h

ndash Stromlader (Schnellladung hohe Waumlrmeverluste durch Kuumlhlung 150 ndash 350 kW) ge 15 min

Abbildung S 16 wie in Quelle




Anzahl Ladestellen und dafuumlr erforderliche Investkosten

Anzahl Ladestellen deutlich houmlher als Wasserstoff-Tankstellen

Netzausbauerfordernisse stark abhaumlngig von oumlrtlichen Gegebenheiten (Kabel Trafos)

Bisher wird iA bdquoharte Kopplungldquo des BEV-Ladens am Netz mit fluktuierendem Strom vergessen fuumlr die entsprechend groszlige und teure Batteriespeicher benoumltigt werden

Lade-leistung

[kW]

Investition je System

laufende Kosten

je System

Anzahl benoumltigter Systeme je BEV

CAPEX je BEV

OPEX je BEV

Anzahl Systeme (Basisszenario

All-electric 2050 366 Mio BEV)

Laden Zuhause 111 2139 euro 150 euroa 0850 1818 euro 12750 euroa 31140000

Laden oumlffentlich halb oumlffentlich

111 7500 euro 750 euroa 0026 191 euro 1913 euroa 934300

Schnellladen Alltagsverkehr


Schnellladen BAB Bundesstraszligen


Summe 2441 euro 17047 euroa 32314700




Rechercheergebnis Verteilnetzausbau BEV vs FCEV

Bisher mit Ausnahme von FZJ-Studie fuumlr H2-Mobility nur BEV-Anteile von 20 und Zeitraum bis 2030 untersucht

Verteilnetzanalysen zeigen dass bestehendes Verteilnetz fuumlr diese Durchdringung genuumlgt allerdings nur mit netzdienlicher Steuerung der Ladevorgaumlnge Ansonsten drohen ab 10-20 BEV-Anteil Netzengpaumlsse (wegen Gleichzeitigkeitsfaktor)

Investitionsbedarf im Verteilnetz stark abhaumlngig von Szenarien

Breit streuende Ergebnisse fuumlr Netzzusatzkosten (= Investitionen)

ndash 21hellip42 euroBEV fuumlr 25 BEV-Anteil [LBD 2012]

ndash ~200 euroBEV [Probst 2014]

ndash 530hellip3200 euroBEV abhaumlngig von Ladeleistung bei max 125 BEV-Anteil [Eckhardt 2011]

ndash 200 (mit smart charging)hellip1000 euroBEV bei max 125 BEV-Anteil [EC 2013]

Insbesondere eskalierende Auswirkung einer gleichzeitigen breiten Einfuumlhrung von elektrisch betriebenen Waumlrmepumpen auf das Verteilnetz ist noch zu beruumlcksichtigen




Kumulative Investitionen fuumlr BEVFCEV-Infrastruktur in DE

Um gleiche Nutzer-Fahrleistungen abzudecken muumlssen mehr BEV als FCEV beschafft werden

Investitionsschwerpunkt le3 Mio FCEV bei H2-Tankstellen danach bei H2-Produktion und -Speicherung

Bis le1 Mio E-Fahrzeuge kostet Infrastrukturaufbau etwa gleich viel Teurerer Wasserstoff-(Tankstellen)Infrastrukturaufbau bei 1-8 Mio FCEV wird langfristig ge 15 Mio Fahrzeugen von houmlheren Investitionen fuumlr BEV-Ladeinfrastruktur eingeholt



ludwig boumllkow systemtechnik Der Gesamtverbrauch eines Fahrzeuges haumlngt stark vom Fahrzeuggewicht ab

Antriebseffizienz ist jedoch vom Fahrzeuggewicht unabhaumlngig

Das Fahrzeuggewicht haumlngt stark ab (a) vom Antrieb und (b) der geplanten Fahrzeugreichweite

Grund fuumlr Wahl unterschiedlicher Antriebe fuumlr unterschiedliche Einsatzzwecke

BEV haben generell houmlhere Antriebseffizienz als andere Antriebe Wichtig im Hinblick auf Erfuumlllung politischer Vorgaben ist aber Fahrzeugverbrauch (aumlquivalente CO2-Emissionen)

Je groumlszliger geplante Fahrzeugreichweite desto mehr Energie muss mitgefuumlhrt werden Auswirkung insbesondere auf BEVs da Batterien im Vergleich deutlich schwerer pro gespeicherter Energiemenge sind als Benzin oder Wasserstoff inkl Subsysteme (zB Wasserstofftank)

Quelle Riversimple 2017

BEV und FCEV bedienen andere Marktsegmente

ca 250 km


ludwig boumllkow systemtechnik In einem Best Case Szenario wird in 2015 ein Tesla BEV mit 500 km Reichweite

ca 2500 euro mehr kosten als ein vergleichbares FCEV von Toyota fuumlr diese Reichweite

Gleichzeitig wird das BEV deutlich schwerer sein was den Wirkungsgradvorteil des BEV reduziert

Ebenfalls werden die kurzen H2-Betankungszeiten von FCEV mit BEV nicht erzielt werden koumlnnen

Quelle Toyota 2017



ludwig boumllkow systemtechnik Die erforderlichen Aufwaumlnde zur Ertuumlchtigung des Strom(verteil)netzes zum

Laden von BEV und zum Betanken von FCEV mit Wasserstoff sind nicht bekannt

ndash Koumlnnen potenziell fuumlr die BEV-Ladeinfrastruktur deutlich houmlher sein

ndash Genaue Ladestrukturen noch nicht bekannt (auch nutzerabhaumlngig)

ndash Koumlnnen wir uns zwei Ladeinfrastrukturen parallel leisten

ndash Wer wird fuumlr Kosten zum Infrastrukturaufbau und dessen Unterhalt aufkommen

Vorlieben kuumlnftiger Fahrzeugnutzer bisher nicht bekannt

ndash Nutzer(in) ist uumlber Vor- und Nachteile beider Technologien bisher nicht ausreichend transparent informiert und

ndash wird mit eingeschraumlnkten Ladezeiten (= gesteuertes Laden) konfrontiert werden

ndash Wuumlrden Nutzerinnen bei Kauf kleinermittlerergroszliger Pkw grundsaumltzlich anders entscheiden bzgl Schnellbetankung (Flexibilitaumlt beim Tanken) Reichweite (Flexibilitaumlt bzgl Betankungshaumlufigkeit) und Zusatzkosten fuumlr bdquoich tanke wann ich willldquo (Wirtschaftlichkeit)

Zwei grundlegende Informationsdefizite


ludwig boumllkow systemtechnik Wasserstoff verbessert Robustheit des Stromnetzes durch H2-Transport im

separaten Gasnetz sowie durch dezentrale (an Tankstelle) und zentrale (in Salzkaverne unterirdisch) Energiespeicher wodurch FCEV zur systemstaumlrkenden Komponente werden

Japanische Pkw-Hersteller bieten sogar dezentrale Stromgeneratoren (aus H2-Tank im FCEV Pkw) an

Laden von BEV am Stromnetz sorgt durch ldquoharte Kopplungrdquo bei wachsendem REG-Anteil destabilisierend im Stromnetz

Gesteuertes Laden geht auf Kosten der Fahrzeugnutzer die entweder nur komfortreduziert laden koumlnnen oder ggfs deutlich mehr dafuumlr zahlen muumlssen

Bis zur Klaumlrung kritischer Fragen zum Infrastrukturaufbau und zu Nutzervorlieben erscheinen technologiefokussierte globale Infrastrukturentscheidungen verfruumlht

Stattdessen ist viel Aufklaumlrungsarbeit zu leisten sowie weitere Systemstudien

Zusammenfassung


ludwig boumllkow systemtechnik Tesla behauptet dass sein 40 Tonnen Sattelzug mit einer ca 1000 kWh-Batterie

ca 800 km Reichweite erzielt Dieses wuumlrde fuumlr eine vollstaumlndige Beladung in 30 Minuten eine Anschluszligleistung von 2 MW fuumlr einen einzigen Truck erfordern (wobei andere Stimmen behaupten dass mit einer 1000 kWh Batterie nur 450 km Reichweite moumlglich sind)

In Amsterdam wurde das bisher weltgroumlszligte Gelegenheits- und Depotladenetzwerk mit 13 MW fuumlr 100 Elektrobusse von VDL eingeweiht (109 Heliox-Schnelllader mit 30hellip450 kW) Damit sollen ca 100 Busse in einer Nacht aufgeladen werden koumlnnen

Die Praxiserfahrung wird zeigen welche Energiebilanz diese Art der Beladung nach sich zieht

Quelle httpdrivingcateslaauto-newsnewsmotor-mouth-the-inconvenient-truth-about-teslas-truck

Food for thought(s) 12

Foto aus Quelle


ludwig boumllkow systemtechnik Hamburger Hochbahn plant Ladeinfrastruktur fuumlr Umstellung ihrer Flotte auf

E-Busse (Neubau Busbetriebshof bdquoGleisdreieckldquo in Alsterdorf)

Teil der Ladeinfrastruktur fuumlr kuumlnftige E-Bus-Flotte Derzeit wird Energietechnik und Ladeinfrastruktur erster Bauabschnitt geplant fuumlr gleichzeitige Ladung von 48 E-Bussen le 150 kW

Kern ist Umspannwerk zum Laden aus Hochspannungsnetz Anschlussleistung 25 MW (Endausbaustand 240 E-Busse) Haumlngende Ladekabel von Carportdecke Technik in sog bdquoTechnikzentraleldquo auf Carports in zweiter Ebene Vollladung der E- Busse in 2-3 h

Biomassekraftwerk amp eigenes Umspannwerk kostenintensiv (ohne konkrete Investitionskosten) eines der bdquogroumlszligten EU-Projekte fuumlr Ladeinfrastrukturldquo uumlberhaupt

Einleitung der sukzessiven Umstellung durch Hamburger Hochbahn aller Busse auf E-Antriebe zunaumlchst mit Ausschreibung von 60 Batterie-Bussen (Inbetriebnahme 201819) Ab 2020 will Hamburg nur noch E-Busse anschaffen bis 2030 soll gesamte Busflotte der Hochbahn von rund 1000 Fahrzeugen elektrisch fahren

Quelle httpswwwelectrivenet20180407emutec-entwirft-energietechnik-fuer-depot-der-hochbahn


Foto aus Quelle



LBST Ludwig-Boumllkow-Systemtechnik GmbH Daimlerstr 15 85521 MuumlnchenOttobrunn Germany

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Kontakt LBST

Dr Ulrich Buumlnger Senior Scientist

T +49 (0)89 608110-42 E UlrichBuengerlbstde



Inhalte




Zusammenfassung





































Herausforderungen





Laumlrmemissionen
















Pkw


LKW 1 23 48 45

PKW 1 21 62 69















































Lade-leistung

[kW]


laufende Kosten

je System


CAPEX je BEV

OPEX je BEV










Summe 2441 euro 17047 euroa 32314700































ca 250 km






Quelle Toyota 2017






















Zusammenfassung








Foto aus Quelle










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Herausforderungen





Laumlrmemissionen
















Pkw


LKW 1 23 48 45

PKW 1 21 62 69















































Lade-leistung

[kW]


laufende Kosten

je System


CAPEX je BEV

OPEX je BEV










Summe 2441 euro 17047 euroa 32314700































ca 250 km






Quelle Toyota 2017






















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Pkw


LKW 1 23 48 45

PKW 1 21 62 69















































Lade-leistung

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laufende Kosten

je System


CAPEX je BEV

OPEX je BEV










Summe 2441 euro 17047 euroa 32314700































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Quelle Toyota 2017






















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je System


CAPEX je BEV

OPEX je BEV










Summe 2441 euro 17047 euroa 32314700































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Quelle Toyota 2017






















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ca 250 km






Quelle Toyota 2017






















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Quelle Toyota 2017






















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