Auswirkungen von Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeugen auf das Energiesystem
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ENERGIESYSTEM © RLI Auswirkungen von Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeugen auf das Energiesystem Elektrifizierte Fahrzeuge können das Angebot an erneuerbaren Energien mit der Stromnachfrage verbinden. Das kann durch zeitversetzte Produktion, Lastverschiebung oder das Einbinden der Fahrzeug- akkus in das Stromnetz passieren. Das Reiner-Lemoine-Institut zeigt in seiner Studie, welche Potenziale sich durch mehr Flexibilität bei der Versorgung elektrischer Pkw und Lkw ergeben. 36
AUTOREN
Jakob Gemassmer, M. Sc. Jörn Hartmann, M. Sc. Alexander Windt, M. Sc. Dipl.-Ing. (FH) Oliver Arnhold
ist wissenschaftlicher Mitarbeiter ist wissenschaftlicher Mitarbeiter ist wissenschaftlicher Mitarbeiter ist Bereichsleiter Mobilität mit
am Reiner-Lemoine-Institut am Reiner-Lemoine-Institut am Reiner-Lemoine-Institut erneuerbaren Energien am
in Berlin. in Berlin. in Berlin. Reiner-Lemoine-Institut in Berlin.
NEUE POTENZIALE erneuerbaren Energien mit der Strom und Brennstoffzellen-Antrieb (FCEV).
nachfrage zu verbinden – durch zeitver Im verwendeten Modell wird neben dem
Ein Grund für die Verfehlung der natio setzte Produktion, Lastverschiebung aktuellen nationalen Stromverbrauch
nalen Klimaziele 2020 ist der fehlende oder das Einbinden der Fahrzeugakkus auch der künftige Bedarf elektrifizierter
Beitrag des Verkehrssektors. Einzig in in das Stromnetz, der sogenannten Fahrzeuge beleuchtet, BILD 1. Das Modell
diesem Sektor konnte in Deutschland Vehicle-to-Grid-Technologie (V2G). Das optimiert den Ausbau erneuerbarer
seit 1990 keine Reduzierung der Treib Reiner-Lemoine-Institut (RLI) hat diese Erzeugungsanlagen und den Speicherbe
hausgasemissionen erreicht werden [1]. Potenziale in einer Studie ermittelt. darf hinsichtlich der geringsten Kosten.
Der Umstieg auf elektrisch angetriebene Zu den Erzeugungsanlagen gehören
Fahrzeuge und deren Versorgung mit neben Windenergie- und Photovoltaikan
BETRACHTETE SZENARIEN
regenerativ erzeugtem Strom kann dies lagen auch Geothermie-, Biomasse-, Lauf-
ändern. Neben Pkw gilt dies auch für Nachfolgend werden die Auswirkungen wasserkraftwerke sowie Power-to-Gas-
Lkw, da Letztere circa ein Drittel der einer Elektrifizierung von Pkw und Lkw Technologien.
verkehrsgebundenen Emissionen verur auf das nationale Stromsystem beschrie Die Lastprofile für Pkw werden durch
sachen [2]. Elekt rifizierte Fahrzeuge ben. Betrachtet werden dabei Fahrzeuge Annahmen zu Fahrleistungen, Wege
haben das Potenzial, das Dargebot von mit batterieelektrischem Antrieb (BEV) zweck, Distanzen sowie zur Verfügbar
P2G-Technologien
Ankommende BEV
Methanisierung Elektrolyse
V2G
Abfahrende BEV
Gasturbine
Speicher der
netzgekoppelten
Fahrzeuge
Speicher
FCEV
Regenerative
Erzeugungsanlagen BILD 1 Das modellierte
Elektrolyseur Wasserstoff-
Energiesystem besteht
speicher
aus Erzeugungsanlagen,
Speichern, Stromnetz und
Verbrauchern. Zu diesen
gehören neben der Stromlast
Stromlast auch BEV und FCEV (© RLI)
Juni 2019 Elektromobiltät 37ENERGIESYSTEM
100 % BEV starr 50 % BEV starr und 50 % FCEV 100 % FCEV
136 TWh 232 TWh
184 TWh
518 TWh
518 TWh
518 TWh
264 TWh
242 TWh
285 TWh
Bedarf Stromsektor Verluste und Überschuss Bedarf Mobilität
BILD 2 Durch starre BEV steigt der elektrische Energiebedarf um 136 TWh, durch FCEV um 232 TWh (© RLI)
keit von Lademöglichkeiten erstellt. Die Beginn der Ladung lediglich Energie schränkt wird. Zusätzlich wird eine
Lastprofile der Lkw werden auf Basis für 100 km Reichweite zur Verfügung 50:50-Mischung von BEV und FCEV
automatischer Verkehrszählungen gestellt und anschließend nur dann betrachtet.
erstellt. Dabei sind für drei verschie geladen, wenn möglichst kostengüns
dene Lkw-Gewichtsklassen Einsatzzei tige erneuerbare Energien direkt
ten, Distanzen, Kapazitäten, Verbräu genutzt werden können. Die maximale ERHÖHTER ENERGIEBEDARF
che und Ladeleistungen berücksichtigt. Flexibilität wird im Szenario „BEV
Neben einem FCEV-Szenario werden V2G“ erreicht. Hier ist es möglich, Der Stromverbrauch beträgt in Deutsch
drei BEV-Szenarien betrachtet. Im Sze Strom aus dem Fahrzeug in das Netz land etwa 518 TWh. Um diesen über
nario „BEV starr“ findet eine sofortige zurückzuspeisen, wenn dieser gerade regenerative Energien zu decken, müs
Vollladung statt, sobald ein Fahrzeug durch andere Verbraucher benötigt sen insgesamt 645 TWh produziert wer
an der Ladesäule angeschlossen wird. wird. Voraussetzung für alle Szenarien den. Durch die Elektrifizierung des
Im Szenario „BEV flexibel“ wird zu ist, dass die nächste Fahrt nicht einge Straßenverkehrs erhöht sich der elektri
180 %
160 %
140 %
Ein- und ausgespeicherte Energie [TWh]
120 %
100 %
80 %
60 %
40 %
20 %
0%
100 % BEV starr 50 % BEV starr 100 % BEV flexibel 50 % BEV flexibel 100 % BEV V2G 50 % BEV V2G 100 % FCEV
und 50 % FCEV und 50 % FCEV und 50 % FCEV
Einspeicherung Ausspeicherung
BILD 3 Eine hohe Flexibilität sowie die Nutzung verschiedener Technologien senken den Speicherbedarf (© RLI)
38SPRINGERNATURE SPRINGERNA
SPRINGERNATURE SPRINGER
SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE SPRING
sche Energiebedarf nochmals. So steigt zeigt [3]. Gründe, den privaten Pkw nicht
dieser bei vollständiger Umstellung in das Stromnetz einzubinden, liegen
von Pkw und Lkw auf BEV um circa SPRINGERNATURE
unter anderem im hohen bürokratischen SPRINGERNATURE SPR
136 TWh, bei vollständiger Umstellung Aufwand und noch unzureichenden
auf FCEV um circa 232 TWh. Der Anreizen.
SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE S
höhere Energiebedarf von FCEV wird Bei Betrachtung des Speicherbedarfs
durch die geringere Effizienz der Fahr ist die Kombination von BEV und FCEV
zeuge und den Umwandlungsverlusten in jedem Szenario vorteilhaft gegenüberSPRINGERNATURE SPRINGERNATURE
bei der Wasserstoffproduktion per Elek der reinen BEV-Nutzung. Der positive
trolyse verursacht. Bei einer Nutzung Effekt der zeitversetzten Wasserstoff SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE
beider Technologien ergibt sich ein herstellung für FCEV zeigt sich beson
Mehrbedarf von etwa 184 TWh, BILD 2. ders bei Kombination mit unflexiblen
Die Nutzung von FCEV geht mit BEV. Mit steigender Flexibilität der BEV SPRINGERNATURE SPRINGERNATUR
einem höheren Energiebedarf einher als wird dieser Effekt geringer. Durch die
die Nutzung von BEV. Hierbei lassen Nutzung beider Technologien lässt sich SPRINGERNATURE SPRINGERNA
sich jedoch Unterschiede zwischen dem der Stromüberschuss mindern, wie
Pkw- und Lkw-Sektor feststellen. Wäh BILD 2 verdeutlicht. Mehr Flexibilität
rend für Pkw die Nutzung von FCEV beim Laden batterieelektrischer Fahr SPRINGERNATURE SPRINGER
gegenüber unflexiblen BEV einen Mehr zeuge verringert zudem die insgesamt
bedarf von 10 % bedeutet, liegt er für notwendige Energie. In der Summe
SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE SPRING
Lkw unter 1 %. Bei der Betrachtung des kann im „BEV flexibel“-Szenario die
Lkw-Sektors liegt die erzeugte elektri regenerativ produzierte Energiemenge
sche Energie beim FCEV-Szenario nur SPRINGERNATURE
um etwa 9 % sinken. Die installierte SPRINGERNATURE SPR
um 1,5 TWh über der des unflexiblen Gesamtleistung an Erzeugungsanlagen
BEV-Szenarios. Dies ist auf die unter sinkt jedoch nicht unbedingt mit stei SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE S
schiedlichen Lastprofile zurückzufüh gender Flexibilität.
ren. Für Pkw ist dieses mehr über den
Tag verteilt, während Lkw aufgrund der SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE
EINSATZ GÜNSTIGER
Einsatzzeiten vor allem bei Fahrtende
REGENERATIVER ENERGIEN
geladen beziehungsweise betankt wer SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE
den. Dadurch muss die regenerativ Durch den gesteigerten Energiebedarf in
erzeugte Energie für BEV-Lkw zwi Folge der Fahrzeugelektrifizierung müs
schengespeichert werden, vorrangig in sen mehr Erneuerbare-Energien-Anla SPRINGERNATURE SPRINGERNATUR
Power-to-Gas-Anlagen (PtG). Aufgrund gen zugebaut werden. Bei Betrachtung
der Wirkungsgradverluste dieser PtG- der installierten Leistungen der einzel SPRINGERNATURE SPRINGERNA
Anlagen ist der Bedarf nur minimal nen regenerativen Erzeugungsanlagen
geringer, obwohl FCEV deutlich mehr fällt auf, dass mit steigender Flexibilität
Energie verbrauchen als BEV. auch der Zubau an Photovoltaik-Anla SPRINGERNATURE SPRINGER
gen (PV) steigt. BILD 4 zeigt dies für die
vollständige Umstellung des SPRINGERNATURE
Pkw- und SPRINGERNATURE SPRING
SENKUNG DES SPEICHERBEDARFS
Lkw-Sektors auf BEV beziehungsweise
Die Möglichkeit der zeitversetzten Pro FCEV.
duktion verringert den Speicherbedarf Während im BEV-V2G-Szenario
SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE SPR
konventioneller Technologien wie Pump 93,9 GW beziehungsweise im FCEV-
speicherkraftwerken bei der Umstellung Szenario 74,4 GW mehr PV zugebaut SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE S
auf FCEV gegenüber der einfachen Nut werden als im starren BEV-Szenario,
zung von BEV. Allerdings kann durch verringert sich der Zubau von Offshore-
höhere Flexibilität beim Einsatz von BEV Windenergieanlagen von 26,7 auf 2,6
SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE
der Speicherbedarf ebenfalls erheblich oder 9,7 GW. Beim Vergleich beider
gesenkt werden, BILD 3. Besonders die starren BEV-Szenarien ist zudem zu SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE
V2G-Technologie bietet enormes Poten erkennen, dass der Mehrbedarf der
zial. Sowohl für Pkw als auch für Lkw FCEV fast ausschließlich über PV ge-
ergeben sich durch die Nutzung von V2G deckt werden kann.
SPRINGERNATURE SPRINGERNATUR
bei BEV niedrigere Speicherbedarfe als Deutschland steht vor der Herausfor
für FCEV. Die V2G-Technologie wird derung, den Strom aus Windenergiean SPRINGERNATURE SPRINGERNA
jedoch bislang kaum genutzt. Neben lagen im Norden in den Süden des Lan
dem fehlenden Angebot der Hersteller ist des zu transportieren. Die dafür not
SPRINGERNATURE SPRINGER
auch die gesellschaftliche Akzeptanz wendigen Stromtrassen stoßen in der
noch zurückhaltend, wie eine aktuelle Gesellschaft jedoch auf großen Wider
Umfrage des Digitalverbands Bitkom stand. Der verstärkte Zubau vonSPRINGERNATURE
PV SPRINGERNATURE SPRING
Juni 2019 Elektromobiltät 39
SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE SPRENERGIESYSTEM
500
400
Installierte Leistung [GW]
300
200
100
0
100 % BEV starr 50 % BEV starr und 100 % BEV 50 % BEV flexibel 100 % BEV V2G 50 % BEV V2G 100 % FCEV
50 % FCEV flexibel und 50 % FCEV und 50 % FCEV
Wind onshore Wind offshore Laufwasser PV Biomasse Gas
BILD 4 Eine hohe Flexibilität ermöglicht den Einsatz günstiger erneuerbarer Energie, während teure Technologien weniger stark zugebaut werden (© RLI)
kann diese Problematik lösen und Strom nutzen. Besonders nachts ist durch die das nationale Energiesystem auswirkt.
für die besonders im Süden Deutsch typischen Verbrauchszeiten von Haus Betrachtet wurden dabei batterieelektri
lands angesiedelte stromintensive Indus halten und Industrie aktuell wenig Fle sche und Brennstoffzellenfahrzeuge.
trie liefern. Die Kosten für Photovoltaik xibilität im Stromsektor vorhanden. Brennstoffzellenfahrzeuge senken den
sind in den letzten Jahren stark gesun Pkw können aufgrund der mehr über Speicherbedarf erheblich, benötigen
ken. PV-Anlagen genießen zudem in der den Tag verteilten Stand- beziehungs jedoch aufgrund ihrer geringeren Effizi
Gesellschaft eine deutlich höhere weise Ladezeiten dies nur bedingt aus enz und der notwendigen Wasserstoff
Akzeptanz als Windenergieanlagen. BILD gleichen. Lkw hingegen bieten durch herstellung mehr Energie als batterie
4 zeigt, dass auch am Festland der ihre spezifischen Standzeiten Flexibili elektrische Fahrzeuge. Bei Letzteren
Zubau von Windenergieanlagen durch tät zu Zeiten, zu denen Pkw oder auch kann flexibles Laden den Speicherbe
mehr Flexibilität gesenkt werden kann. die Industrie diese nicht immer bereit darf nur bedingt mindern. Der Einsatz
Mehr Flexibilität bei der Versorgung stellen können. der V2G-Technologie bietet hingegen ein
der Fahrzeuge ermöglicht, dass der Der Einsatz der V2G-Technologie in noch höheres Minderungspotenzial als
nötige Ausbau teurer Technologien, ins Lkw birgt ein hohes Potenzial zum zeit FCEV.
besondere Offshore-Wind, verringert lichen Ausgleich regenerativer Energieer Die Analysen zeigen, wie wichtig eine
wird und im Gegenzug verstärkt güns zeugung und Stromnachfrage. Besonders hohe Flexibilität ist. Neben einer Sen
tige Technologien wie PV zugebaut wer große Fuhrparks bieten sich hierfür an, kung des Speicherbedarfs besteht durch
den. Dadurch muss weniger Strom da der administrative Aufwand pro Fahr mehr Flexibilität auch die Möglichkeit,
durch das Land transportiert werden. zeug aufgrund der Skaleneffekte gering verstärkt günstige und gesellschaftlich
ist. Die Gesamtmenge an verschiebbarer akzeptierte Erzeugungsanlagen wie die
Energie ist aufgrund der größeren Batte Photovoltaik einzusetzen. Durch weni
ZUSÄTZLICHE
riekapazität und der teils sehr hohen ger Windenergieausbau, insbesondere
FLEXIBILITÄTSOPTIONEN
Fahrzeuganzahl in einem Fuhrpark um von Offshore-Anlagen, muss weniger
Für Lkw mit über 7,5 t zugelassenem ein Vielfaches höher als bei einem ein Strom aufwendig vom Norden in den
Gesamtgewicht gelten Fahrverbote an zelnen Pkw. Die Elektrifizierung des Süden Deutschlands transportiert
Sonn- und Feiertagen. Zudem sind sie Lkw-Sektors kann dadurch einen erheb werden. Dies entlastet die Stromnetze
aufgrund der gesetzlich geregelten lichen Beitrag für eine gelungene Ener zusätzlich. Besonders Lkw können hier
Lenk- und Ruhezeiten nachts nur wenig gie- und Verkehrswende leisten. aufgrund ihrer Einsatzzeiten einen
im Einsatz. Somit entsteht besonders hohen Beitrag leisten.
hier unter der Woche ein Ladebedarf. Es ist nicht davon auszugehen, dass
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Standzeiten der Lkw können sich die V2G-Technologie in allen Berei
genutzt werden, um die volatile Strom In Analysen zeigt das RLI, wie sich die chen durchsetzt. Die Szenarien mit
produktion der Erneuerbaren flexibel zu Elekt rifizierung von Pkw und Lkw auf Umstellung auf BEV und FCEV zeigen,
40dass die Nutzung beider Technologien
sowohl den Speicherbedarf senken als
auch eine erhöhte Flexibilität bieten und
Überschussstrom besser genutzt wird.
Beide Technologien können somit einen
Beitrag für das Gelingen der Energie-
und Verkehrswende leisten.
LITERATURHINWEISE
[1] Indikator: Emission von Treibhausgasen. Online:
https://www.umweltbundesamt.de/indikator-emis-
sion-von-treibhausgasen, aufgerufen am
20.03.2019
[2] Klimaschutz in Zahlen: Der Sektor Verkehr.
Online: https://www.bmu.de/fileadmin/Daten_BMU/
Download_PDF/Klimaschutz/klimaschutz_in_zah-
len_verke hr_bf.pdf, aufgerufen am 20.03.2019
[3] Intelligentes Stromnetz: Verbraucher sind noch
zurückhaltend. Online: https://www.bitkom.org/
Presse/Presseinformation/Intelligentes-Stromnetz-
Verbraucher-sind-noch-zurueckhaltend, aufgerufen
am 18.03.2019
DIESER BEITRAG IST IM E-MAGAZIN
VERFÜGBAR UNTER:
www.emag.springerprofessional.de/atz
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Juni 2019 Elektromobiltät 41
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