Aktion 16. Vom EFRE gefördertes EU-Projekt:

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Aktion 16

Evaluation des Flexibilitätspotentials von

Elektromobilitätsladung in Bezug auf netzdienliche Flexibilität Abschlussbericht

Vom EFRE gefördertes EU-Projekt:

Power to Heat for the Greater Region’s Renewables Integration and Development – PtH4GR²ID

Projektreferenznummer: 031-4-09-004

GECT- Autorité de Gestion Programme Interreg VA Grande Région, Secrétariat Conjoint, 11, bd. J.F. Kennedy, L-4170 Esch-sur-Alzette

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Projektkoordinator:

Université de Liège

Building Energy Monitoring and Simulation Professor Philippe André

Place du XX Août, 7 B-4000 Liège

Tel: +32 (0)63 23 08 58 E-Mail : p.andre@ulg.ac.be

Kaiserslautern, Januar 2021

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Inhaltsverzeichnis

1. Motivation ... 4

2. Ziele der Aktion ... 5

3. Teilnehmende Partner ... 5

4. Methodik ... 5

5. Ergebnisse... 7

5.1. Metastudie zu Elektromobilität ... 7

5.2. Modellierung des Ladeverhaltens ... 9

5.3. Reglerentwurf und Weiterentwicklung ... 10

5.4. Auswirkungen eines Rollouts von Wärmepumpen und Elektroautos ... 12

6. Zusammenfassung ... 15

7. Publikationen ... 15

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4

1. Motivation

Vor dem Hintergrund des Klimawandels und der daraus folgend angestrebten Minimierung von CO2- Emissionen hat sich die Großregion (GR) das Ziel von 15,2% Regenerative Energien (RE) am Gesamtenergieverbrauch bis zum Jahre 2023 gesetzt. Dies erfordert neben dem Ausbau regenerativer Erzeugungsanlagen auch die Wärmewende. Dazu müssen Heizsysteme auf Basis fossiler Brennstoffe für die Bereitstellung von Heizenergie (Heizwärme, Warmwasser) durch umweltfreundlichere Technologien substituiert werden. Damit soll die Nachhaltigkeit gefördert und die Umweltbelastung im Rahmen der wirtschaftlichen und räumlichen Entwicklung der Großregion verringert werden.

Der Einsatz von stromgeführten Wärmepumpen in Kombination mit Speichern ist nicht nur eine Maßnahme zur Unterstützung der Wärmewende, sondern bietet zusätzlich die Möglichkeit einer zeitlichen Anpassung des Stromverbrauches an die fluktuierende Erzeugung aus RE. Somit kann zu Zeiten hoher regenerativer Erzeugung Strom in thermischen Energiespeichern zwischengespeichert und der Anteil von RE am Gesamtenergieverbrauch gesteigert werden. Da sowohl der Klimawandel als auch der Ausbau der RE keine regionale, sondern internationale Herausforderungen darstellen, ist eine länderübergreifende Zusammenarbeit unabdingbar.

Der rasante Zuwachs an elektrisch angetriebenen Fahrzeugen ist unverkennbar. In den vergangenen fünf Jahren hat sich der weltweite Bestand mehr als verzehnfacht und übertraf in 2018 die 5 Mio.

Marke (Quelle: Statista, 2019). In den Ländern der Großregion wird die Nutzung von Elektrofahrzeugen durch monetäre Kaufanreize sowie Förderungen von Ladeinfrastruktur unterstützt, um langfristig die Verbrenner zu substituieren. Diese Maßnahmen berücksichtigen allerdings nur den Verbraucher als letztes Glied der Energiewertschöpfungskette und lassen einen wichtigen Punkt außer Acht. Im Vergleich zu konventionellen Haushaltslasten zeichnen sich Elektroautos durch relativ hohe Ladeleistungen und eine deutlich höhere Gleichzeitigkeit aus. In Deutschland wird z. B. das Ziel verfolgt, dass eine Mio. Fahrzeuge bis 2020 und fünf Mio. Fahrzeuge bis 2030 elektrisch sind (Quelle:

Nationaler Entwicklungsplan Elektromobilität der Bundesregierung, 2009).

Dass diese neuen elektrischen Lasten im ungesteuerten Fall und mit hoher Durchdringung die elektrischen Netze an ihre Grenzen bringen werden, steht außer Frage. Zahlreich sind die Untersuchungen, welche die gravierenden Belastungen der Niederspannungsnetze aufzeigen. Eine umfangreiche Untersuchung dieser Effekte stellt die Dissertationsschrift von Hr. Dr. Propst

„Auswirkungen von Elektromobilität auf Energieversorgungsnetze analysiert auf Basis probabilistischer Netzplanung“ dar.

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5

2. Ziele der Aktion

Mit der Aktion 16 werden folgende Ziele verfolgt:

- Bibliographische Studie zur Elektromobilität.

- Modellierung des Ladeverhaltens von Elektrofahrzeugen.

- Erweiterter Einsatz von Wärmepumpen und Elektrofahrzeugen.

3. Teilnehmende Partner

Der Lehrstuhl ESEM der Technischen Universität Kaiserslautern ist verantwortlich für die Aktion 16 und wird von folgenden Projektpartnern unterstützt:

- ULg/BEMS;

- TUK/GST;

- UniLu;

- IZES.

4. Methodik

Die Aktion 16 wird in vier Subaktionen unterteilt. Die Vorgehensweise ist wie folgt für die einzelnen Subaktionen beschrieben:

- Subaktion 16.1 : Metastudie zu Elektromobilität. Hierbei sollen Szenarien zur zukünftigen Entwicklung der Elektromobilität basierend auf den politischen Zielen der einzelnen Länder der Großregion erstellt werden. Des Weiteren wird in dieser Subaktion mithilfe von historischen Daten das Nutzungsverhalten der Elektrofahrzeuge untersucht.

- Subaktion 16.2 : Modellierung des Ladeverhaltens. Hierfür sollen, basierend auf den Ergebnissen der Subaktion 16.1, Modelle entwickelt werden, welche das Ladeverhalten von Elektroautos beschreiben.

- Subaktion 16.3 : Reglerentwurf und Weiterentwicklung. Der in Aktion 8 entwickelte modellprädiktive Regler wird weiterentwickelt.

- Subaktion 16.4 : Auswirkungen eines Rollouts von Wärmepumpen und Elektroautos. Die Netzberechnungen, welche in Aktion 10 durchgeführt wurden, um die Auswirkungen eines Wärmepumpenrollouts zu untersuchen, werden in dieser Subaktion erneut durchgeführt.

Dabei werden die Ergebnisse der Subaktion 16.3 integriert und somit sowohl Wärmepumpen als auch Elektroautos als „neue“ Lasten berücksichtigt.

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6 Aus den Aktionen 8 und 16.2 entstehen die Last- bzw. Ladeprofile. Kombiniert mit den einzelnen Durchdringungen von Elektroautos, Wärmepumpen und Photovoltaik in den vier Ländern der Großregion, welche in den Aktionen 13 und 16.1.1 ermittelt werden, werden die Residuallastgänge bestimmt. Diese werden benötigt, um mithilfe der zur Verfügung stehenden Netzmodelle aus den Aktionen 3 und 10 Lastflussberechnungen durchzuführen und anschließend den zu erwartenden Netzzustand zu bewerten.

08.07.2020 Anes Benzarti PtH4GR²ID – 14^thConsortium Meeting 7

Work packages interconnection

HP Load profile Action 8

LV Grid Models Action 3

Grid assessment procedure

Action 10 Grid assessment

Subaction 16.4

E-Vehicles scenarios Subaction 16.1.1 E-Vehicle charging

behavior Subaction 16.1.2

E-Vehicle charging Model/profile Subaction 16.2 Refined HP-

Controller Subaction 16.3

PV and HP scenarios Action 13

Partner ESEM (old) ESEM (new)

✔ ✔

✔

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7

5. Ergebnisse

5.1. Metastudie zu Elektromobilität

 Objective: Developing of 3 scenarios (Status quo, 2030 A, 2030 B) similar to those developed in Actions 10 and 13

 Procedure: based on the political targets related to e-mobility in the Greater Region, figures about the estimated e-vehicles (Units, Capacity) and their distribution in the GR will be collected. The output is a share of e-vehicles for three different scenarios and for four different regions →Subaction 16.4

 Main responsible: IZES

 Start: 01 December 2019

 End: 31 December 2019

Subaction 16.1 (first Part)

2030 A : Conservative scenario

2030 B : Optimistic scenario (will follow) Status quo 2030 A 2030 B

FR 7,346 200,049 155,623

DE 5,576 46,722 390,769

LU 6,251 79,480 229,090

BE 5,950 75,412 131,097

Source: B. Dröschel, "20200122_Entwicklung Pkw_E-Mob_GR.xls"

Status quo 2030 A 2030 B

FR 0.7% 18.7% 14.6%

DE 0.2% 1.9% 15.7%

LU 3.1% 38.8% 100.0%

BE 0.4% 4.9% 8.6%

Source: EUROSTAT Siehe Datei "20200616_Entwicklung Pkw_E-Mob_GR_AB_DRÖ"

Number of EV in the GR

Penetration of EV in the GR

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8

 Objective: Collecting data about the user behavior of e-vehicles

 Procedure: Based on mobility studies the user behavior (Annual mileage, daily mileage, vehicle utilization ratio, arrival time and departure time) will be determined. The outputs are distributions allowing the determination of average loading behavior of e-vehicles→Subaction 16.2

 Main responsible: ESEM

 Start: 01 January 2020

 End: 31 January 2020

Subaction 16.1 (second Part)

Assumptions based on : Doctoral thesis of Röhrenbeck 2019

 Serviceable battery capacity : 30 kWh

 Average consumption : 0.2 kWh/km

 Charging power : 3.7 kW

 Charging location : charging almost at home only ( ~ if daily mileage

>100 km)

Further assumptions

 A similar user behavior can be assumed for all parts of the GR

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9

5.2. Modellierung des Ladeverhaltens

 Objective: Modelling of e-vehicle (EV) charging behavior

 Procedure: Based on the user behavior determined in subaction 16.1 and several EV specific data like battery capacity, average consumption and charging capacity, an EV charging profile can be determined. The output is also an EV charging model.

→ Subaction 16.4

 Start: 01 January 2020

 End: 31 Mach 2020

Subaction 16.2

 Synthetic charging profile of EV :

Subaction 16.2

Time in ¼ h

Pin W

Source: Röhrenbeck 2019

 Represents an average of 1000 EV charging profile

 Correlates with several presented profiles in the literature

…

Pin WPin WPin W

Time in ¼ h

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10

5.3. Reglerentwurf und Weiterentwicklung

 Objective: Refining the HP-Controller

 Procedure: Integration of new simplified building models of multi-family homes in the controller, adjusting of the building heating curve and the HP power.

→Subaction 16.4

Furthermore, an EV-control scheme will be investigated on in order to allow a market driven charging control, similar to the developed HP-control.

 Start: 01 Mach2020

 End: 31 July 2020

Subaction 16.3

June 11, 2019 A. Benzarti PtH4GR²ID – 9^thConsortium Meeting 4

Motivation & Concept

Central

Local

Decentral

(11)

11

Motivation & Concept

Central

Local

Decentral

 Reduce active power balancing

issues

 Provide flexibility to

the LV grid

 Minimize operational costs

Motivation & Concept

Central

Local

Decentral

 Market signal

m  Network signal

n  Storage level

l

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12

 Prioritization: l_cc→n_cc→m_cc

Switching signal

n

_cc

m

_cc

= +

l

_cc

m

_cc

n

_cc

l

_cc

n

_cc

+ n

_cc

l

_cc

l

_cc

m

_cc

m

_cc

 Storage level : l_cc

 Grid signal : n_cc

 Market signal : m_cc  Switching signal : y_cc

5.4. Auswirkungen eines Rollouts von Wärmepumpen und Elektroautos

 Objective: Examination of the impact of EV, PV and HP on the LV grids in the Greater Region

 Procedure: The procedure developed in Action 10 will be adopted. The additional e-vehicle loads will be taken into account. The output is an indication about the LV grid state in the GR for the three different scenarios.

 Start: 01 July 2020

 End: 31 August 2020

Subaction 16.4

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Grid Assessment | France

Undervoltage and overload problems due to the high HP penetrations in 2030 (51.6 %).

Within the bounds Limit violation

The limit violations are mainly due to the high HP penetration. EVs will make the situation worse in the future.

Overvoltage Undervoltage Overload Overvoltage Undervoltage Overload Overvoltage Undervoltage Overload

S1a 12 12

S1b 410 259

S2a 627 8 468 3

S2b 7 5

S3a 33 29 31 28

S3b

S4a 99 75 90 68

S4b 1 59 1 58

2030 A 2030 B

France

Region Grid type Status quo

Overvoltage Undervoltage Overload Overvoltage Undervoltage Overload

S1a 5

S1b 205

S2a 322 2

S2b 2

S3a 20 19

S3b

S4a 77 61

S4b 46

2030

France

Grid Assessment | Germany

Transformer overload in the LV- grid S2b in 2030, due to the high PV share.

No additional limit violations du to electric vehicles, as the penetrations are still low until 2030 (A : 1.9%, B : 15.7%).

Overvoltage Undervoltage Overload Overvoltage Undervoltage Overload Overvoltage Undervoltage Overload S1a

S1b S2a

S2b 451 443

S3a S3b S4a S4b

2030 B Grid type

Region

Germany

Status quo 2030 A

Overvoltage Undervoltage Overload Overvoltage Undervoltage Overload S1a

S1b S2a

S2b 455

S3a S3b S4a S4b Grid type 2030 Region

Germany

Status quo

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Grid Assessment | Luxemburg

Transformer overload in S2b, due to the high PV share, as for DE.

Overvoltage in the radial S1a grid, as PV penetration in LU is higher than in DE.

Additional undervoltage and overload problems due to the very high EV penetration in Luxemburg.

Overvoltage Undervoltage Overload Overvoltage Undervoltage Overload Overvoltage Undervoltage Overload

S1a 3512 1107 3510 2623

S1b 1733

S2a 2521

S2b 195 2854

S3a 189 2956

S3b 2

S4a 2426 2893

S4b 2751

2030 A 2030 B

Luxemburg

Overvoltage Undervoltage Overload Overvoltage Undervoltage Overload

S1a 3676

S1b S2a

S2b 198

S3a S3b S4a S4b

2030

Luxemburg

Grid Assessment | Belgium

The BE grids are stronger compared to the LU ones. No limit violations until 2030.

Overvoltage Undervoltage Overload Overvoltage Undervoltage Overload Overvoltage Undervoltage Overload S1a

S1b S2a S2b S3a S3b S4a S4b

2030 A 2030 B

Belgium

Belgium has the lowest penetration of EV. No limit violations even when considering the political targets related to EV.

Overvoltage Undervoltage Overload Overvoltage Undervoltage Overload S1a

S1b S2a S2b S3a S3b S4a S4b

2030

Belgium

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6. Zusammenfassung

Sowohl die aktuellen Durchdringungen an Elektroautos in den Ländern der Großregion als auch die Entwicklungsziele auf der Basis energiepolitischer Zielsetzungen weisen erhebliche Diskrepanzen auf.

Während in Luxemburg bei einem optimistischen Szenario für das Jahr 2030 davon ausgegangen wird, dass im Durschnitt jeder Haushalt über ein Elektroauto verfügt, weist Belgien eine geringe Elektrifizierung im Mobilitätssektor auf. Hierbei wird davon ausgegangen, dass etwa jeder zehnte Haushalt über einen elektrisch angetriebenen Pkw verfügt.

Durch die zusätzliche Berücksichtigung der Elektroautos in den Netzberechnungen ergeben sich ab dem Jahr 2030 aufgrund der hohen zu erwartenden Durchdringungen von Elektrofahrzeugen erhebliche Unterschiede. Bei gleichbleibender Netzauslegung ist mit häufigem Auftreten von Grenzwertverletzungen zu rechnen.

Ein Managementsystem hat das Potenzial die in Zukunft auftretenden Überlastungen teilweise zu vermeiden. Um den zu erwartenden Überlastungen und Spannungsbandverletzungen entgegenzuwirken, ist eine Netzverstärkung bzw. ein Netzausbau im Niederspannungsbereich vonnöten.