BLACKOUT E-MOBILITÄT SETZT NETZBETREIBER UNTER DRUCK - Oliver ...
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AUTOREN Jörg Stäglich Partner, Oliver Wyman +49 (0) 89 939 49-606 joerg.staeglich@oliverwyman.com Dr. Thomas Fritz Partner, Oliver Wyman +49 (0) 211 8987-663 thomas.fritz@oliverwyman.com Dennis Manteuffel Engagement Manager, Oliver Wyman +49 (0) 171 5667 409 Prof. Dr. Gunther Friedl dennis.manteuffel@oliverwyman.com Professor, TU München +49 (0) 89 289-25800 gunther.friedl@tum.de Friedrich Walcher Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Wir danken Noah Lauffer TU München und Alexander Altmann +49 (0) 89 289-25003 für die intensive Mitarbeit friedrich.walcher@tum.de an der Studie. 3
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NETZBETREIBER MÜSSEN JETZT HANDELN, UM AUF DIE HERAUSFORDERUNG E-MOBILITÄT VORBEREITET ZU SEIN 2035 wird unter den derzeitigen regulato- Die Vorteile der Flexibilisierung: rischen Rahmenbedingungen mehr als jedes dritte Auto auf den deutschen Straßen · Wenn nur die Hälfte der Besitzer von elektrisch angetrieben sein1. Daraus ent- E-Autos mit ihren Fahrzeugen am flexiblen stehen massive Herausforderungen für die Laden teilnähmen, kann eine maximal in Stromversorgung in Deutschland, denn das Niederspannungsnetz integrierbare für diese Menge an E-Autos ist die Nieder- Elektromobilitätsquote von 50 Prozent spannungsebene im deutschen Stromnetz realisiert werden. nicht ausgelegt. Die Folge: Bereits ab einer E-Auto-Quote von 30 Prozent kann es zu · Selbst bei einer Teilnahme-Bezuschussung flächendeckenden Stromausfällen kommen. von 100 Euro je Haushalt in den ersten Ohne präventive Maßnahmen ist damit ab Jahren würden die Kosten für die Flexibili- 2032 zu rechnen. Punktuell werden schon sierung deutlich unter den Investitions- in den kommenden fünf bis zehn Jahren kosten für einen Netzausbau liegen. Versorgungsengpässe entstehen, etwa in suburbanen Gebieten mit einer höheren · Wenn sich das flexible Laden von E-Autos Affinität zur Elektromobilität. durchsetzt, könnte ein Netzausbau voll- ständig überflüssig werden. Um Stromausfälle zu vermeiden, müssten bei einer langfristig erwartbaren Elektrifizie- Aus diesen Gründen ist eine intelligente rung von 50 Prozent der Automobile bis zu Steuerung der Ladevorgänge ein probates elf Milliarden Euro in den Netzausbau inves- Mittel, um den Netzausbaubedarf zu redu- tiert werden. Aufgrund des langen zeitlichen zieren. Allerdings müssen zunächst ent- Vorlaufs beim Netzausbau besteht daher sprechende regulatorische Voraussetzungen bereits jetzt akuter Handlungsbedarf, um geschaffen werden, damit die Netzbetreiber die Stromnetze auf die kommenden Heraus- in der Lage sind, Ladevorgänge dezentral forderungen vorzubereiten. steuern zu können. Gleichwohl gibt es eine ökonomisch höchst Als weitere Möglichkeit käme eine dezentrale attraktive Alternative zum konventionellen Stromerzeugung und -speicherung in Netzausbau: Die intelligente Flexibilisierung Betracht, die aber nach heutigem Stand der Ladevorgänge. der Dinge keine alleinige Alternative zum konventionellen Netzausbau ist. 1 Oliver Wyman-Analyse „E-Mobilität 2035“, Juli 2017 5
ELEKTROMOBILITÄT: HERAUSFORDERUNGEN FÜR DAS STROMNETZ Vor dem Hintergrund des Klimaschutzes, Das Szenario: knapper werdender fossiler Brennstoffe und neuer Mobilitätskonzepte gewinnt die Da Elektroautos überwiegend zuhause ge- Elektromobilität immer mehr an Bedeutung. laden werden, sind die potenziellen Engpässe Um sie flächendeckend zu ermöglichen, im deutschen Stromnetz insbesondere die müssen jedoch die unterschiedlichsten im Niederspannungsnetz integrierten Orts- Herausforderungen bewältigt werden. Diese netze. Ein Ortsnetz versorgt in der Regel reichen von einer größeren Reichweite der rund 120 Haushalte. Wird ein Elektroauto Fahrzeuge und dem Ausbau einer Lade- an das Netz angeschlossen, beginnt der infrastruktur über hohe Anschaffungs- und Ladevorgang grundsätzlich sofort. Dadurch Entwicklungskosten bis hin zur CO2-Bilanz entsteht vor allem abends eine kritische des Strommixes. Spitzenlast, wenn die Elektroauto-Besitzer zuhause ankommen und ihre Autos an die Eine in diesem Kontext sehr entscheidende Ladestationen anschließen. In Momenten Herausforderung hat bislang vergleichs- hoher Gleichzeitigkeit wird das Ortsnetz weise wenig Beachtung gefunden: Welche zum Engpass, da es derzeit auf diese zusätz- Auswirkungen hat die zunehmende Elektro- liche Belastung nicht ausgelegt ist. mobilität auf die deutschen Stromnetze? Die Gefahr: Es kommt zu einer erheblichen Eine stabile Stromversorgung ist essenziell Überschreitung der maximalen Ortsnetz- für einen erfolgreichen Umstieg auf Elektro- kapazität und dadurch zu einem Ausfall der mobilität. Stromversorgung. 6
lovolt rke, 0 Ki aftwe s 38rke, Kernkorte r bi g 220 rkraftwe mtransp nunrke, Wassparks, Stro e a n stsplle Kraftwchseewind e c h Hö ventione erke, Ho Kon kraf tw le Koh lt lovoroßindustri e, K i n g 110twerke, G a nnu ltaik-Kraf erke hs p tovo af tw Hoc arks, Pho ke, Gaskr dp er Win rkraf tw s e Was ilovolt 0K g bis 3 6 ovoltaik- cher, n nu oße Phot tromspei p a n it tels nlagen, gr ewerbe, S M dkrafta strie/G Win u g e n, Ind ndparks i Anla arks, W r p Sola 0 0 Volterbe, 4 0 bislte/kleine Ge w 2 3 pannunaggen, Haushalaranlagen, ders taik-Anl pen, So Nie e Photovol um ät Wär mep romobilit Klein her, lek t r om speic twerke, E St kr af kheiz Bloc 7
VERSORGUNGS- SICHERHEIT GEFÄHRDET Die Versorgungssicherheit wird in Ausfall- Diese Leitfragen werden im Folgenden mit- stunden, den sogenannten „Loss of Load hilfe eines eigens entwickelten, probabilisti- Hours“ (LOLH), gemessen. In Deutschland schen Lastsimulationsmodells beantwortet. lag der Wert 2016 laut VDE/FNN-Störungs- statistik bei etwa 12 Minuten. Eine Ab- In das Modell wurden unterschiedliche weichung von diesem Wert nach oben Inputparameter integriert. Dazu zählen so- verschlechtert die Versorgungssicherheit. wohl das Standardlastprofil der Haushalte als auch lokale Elemente wie Anzahl und Um sich als Verteilnetzbetreiber auf einen Kapazität der Photovoltaikanlagen sowie zukünftigen Anstieg der Elektromobilitäts- deren Lade- und Endladeleistung. Zusätz- quote in Deutschland vorzubereiten, sollten lich wurden unterschiedliche Parameter für Entscheider sich vor allem mit drei wesent- Elektrofahrzeuge mit in das Modell auf- lichen Fragen auseinandersetzen: genommen. Dazu zählen die Autokategorie, die Verteilung der Ladevariante, die Fahr- · Wie viele Elektrofahrzeuge sind in ein leistung, der Durchschnittsverbrauch, existierendes Ortsnetz integrierbar? die Ankunfts- und Abfahrtszeit sowie die Einsatzquote. · Ab wann treten mit den bestehenden Kapazitäten Versorgungsengpässe auf? · Welche Möglichkeiten gibt es, ein Ortsnetz auf die Herausforderung der E-Mobilität vorzubereiten? 8
MODELL: SIMULATION EINES ORTSNETZKNOTENS kritischer Zeitraum für Ladevorgänge kritische Last Stromlast E-Autos und Haushalte (kW) Zeitverlauf (in Stunden) Das Modell bildet einen Ortsnetzknoten pro Jahr in Abhängigkeit von verschiedenen durch einen modularen Aufbau ab. Darin Elektromobilitätsquoten auftreten. Auf Basis wird die Last der Haushalte und der Elektro- dieser Daten werden die Loss of Load Hours fahrzeuge simuliert. Zusätzlich kann das (LOLH) berechnet. Modell mit der Integration von dezentralen Stromerzeugern sowie -speichern und mit Um möglichst realitätsnahe Daten zu be- der Flexibilisierung von Ladevorgängen für kommen, werden die im Modell enthaltenen Elektrofahrzeuge ergänzt werden. Elemente durch eine Monte-Carlo-Simulation variiert. Die Vielzahl an Parametern ermög- Mit dem Modell wird analysiert, wie viele licht dabei die Modellierung und Simulation Überschreitungen der Ortsnetzkapazität individueller Szenarien.
2035 BEREITS 37 % E-AUTOS 86 IN DEUTSCHLAND 63 53 Szenariobandbreite 44 37 30 26 21 18 15 12 10 7 7 4 E-Auto-Quote in %: 3 3 1 optimisischer Ausblick Oliver Wyman-Ausblick 2017 2020 2025 2030 2035 2040 konservativer Ausblick Elektrofahrzeuge werden in Deutschland Unterschiede. Oliver Wyman hält eine Elektro- immer beliebter - vor allem, weil sie das mobilitätsquote von 37 Prozent im Jahr 2035 wachsende Bedürfnis der Bürger nach für realistisch2. Zugleich wurden sowohl eine sauberer und klimaverträglicher Mobilität konservativere Prognose (15 Prozent Elektro- erfüllen. Zusätzlich werden Autohersteller mobilitätsquote) als auch eine optimistischere ihre CO2-Ziele nur mit einem relevanten Einschätzung (63 Prozent) in den Szenarien Anteil lokal emissionsfreier Fahrzeuge er- berücksichtigt. reichen können. Basierend auf diesen Prognosen wurde in der Hinsichtlich der Prognosen zur weiteren Modellsimulation untersucht, ab wann im Entwicklung der Elektromobilitätsquote Ortsnetz Überlastungen auftreten und damit finden sich in aktuellen Studien allerdings Stromausfälle sehr wahrscheinlich werden. große, mehr als 60 Prozent umfassende, 2 Oliver Wyman-Analyse „E-Mobilität 2035“, 2017
FLÄCHENDECKENDE STROMAUSFÄLLE AB 2032 643 574 542 466 387 Die Versorgungssicherheit wird in Ausfallstunden, 236 den sogenannten Loss of Load Hours (LOLH) gemessen. Der Durchschnittswert in Deutschland liegt im Jahr bei ca. 12 Minuten. Eine Abweichung von diesem Wert verschlechtert die Versorgungssicherheit. 141 81 44 22 11 Loss of Load Hours E-Auto-Quote in % 2 bis 28 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 Unter den Voraussetzungen der aktuell mobilitätsquote von 30 Prozent in einigen bestehenden Netzstrukturen und der regu- Gebieten Deutschlands bereits deutlich latorischen Gegebenheiten wird mit einer früher erreicht. Diese lokalen „E-Mobilitäts- 95-prozentigen Wahrscheinlichkeit das Hotspots“ erfordern von den Netzbetreibern Niederspannungsnetz ab einer Elektro- schon heute vorausschauendes Handeln, mobilitätsquote von 30 Prozent flächen- um deutlich vor dem Jahr 2032 auf spürbar deckend überlastet sein. Je nachdem, welche höhere Elektromobilitätsquoten vorbereitet Prognose man zugrunde legt, wird diese zu sein, denn: Bei einer Ortsnetzgröße von Quote in einem Zeitfenster zwischen 2025 120 Haushalten reichen bereits 36 Elektro- und 2040 erreicht werden. Auf Basis der autos aus, um das Netz lokal zu überlasten. Oliver Wyman-Studie „E-Mobilität 2035“ kann Vor allem suburbane Bereiche mit einer davon ausgegangen werden, dass dies ab höheren Affinität zu Elektromobilität sollten 2032 der Fall sein wird, sofern die regulato- dabei im Fokus der Netzbetreiber sein. rischen Rahmenbedingungen gleich bleiben. Die Konsequenz aus alledem: Schon jetzt Aufgrund lokaler Gegebenheiten, beispiels- besteht für die Akteure akuter Handlungs- weise durch Unterschiede in Einkommens- bedarf, da beim Netzausbau mit erheblichen oder Wohnstrukturen, wird eine Elektro- Vorlaufzeiten zu rechnen ist. 11
HOHE KOSTEN FÜR AUSBAU DER ORTSNETZE 26 24 21 18 15 Mit steigender Elektromobilität schnellen auch die Kosten für den Netzausbau in die Höhe. Bei einer 50-prozentigen 11 Elektrifizierung sind Investitionen von 11 Milliarden, bei einer 100-prozentigen Elektrifizierung von 26 Milliarden Euro erforderlich. 6 1 € Kosten in Milliarden Euro E-Auto-Quote in % 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Um eine Überlastung ihrer Netze auch in zeitnah starten und bis 2032 realisieren. Tun Zukunft zu vermeiden, müssen sich die sie es nicht, drohen bereits in naher Zukunft Verteilnetzbetreiber auf den Ausbau der flächendeckende Stromausfälle. E-Mobilität vorbereiten. Dabei gilt: Ab einem Grenzwert von 30 Prozent Elektro- Die relativ hohen Kosten für den Netzausbau mobilitätsquote ist ein Netzausbau not- führen zu der Frage nach wirtschaftlich sinn- wendig. Sollte die Quote 50 Prozent betragen, volleren Alternativen: Eine Möglichkeit könnte entstehen zusätzliche Investitionskosten in die Nutzung bereits vorhandener lokaler Höhe von rund elf Milliarden Euro. Vor dem Elemente wie Photovoltaikanlagen und de- Hintergrund des dargestellten Szenarios zentraler Speicher sein. Eine andere ist die müssten die Netzbetreiber den Ausbau intelligente Flexibilisierung des Ladevorgangs. 12
DEZENTRALE STROMERZEUGUNG UND -SPEICHERUNG KEINE ALLEINIGE LÖSUNG 643 513 574 450 542 404 466 323 387 261 Lokale Speicher und Photovoltaikanlagen können als Puffer eingesetzt werden, um den Ortsnetztrafo zu ent- lasten und Überlastungen zu Spitzenzeiten zu reduzieren. Gleichzeitig hängt deren Leistung von Witterung und Jahreszeit ab – eine alleinige Alternative zum Netzausbau 236 stellen sie damit nicht dar. 203 141 123 81 Loss of Load Hours, 70 ohne Photovoltaik und lokale Speicher 44 22 36 11 Loss of Load Hours, 22 11 mit Photovoltaik und lokalen Speichern E-Auto-Quote in % 2 bis 28 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 Die Energiewende, staatliche Einspeise- Der Nachteil: Aufgrund der witterungs- und vergütung und der zunehmende Wunsch jahreszeitlich bedingten Volatilität wirkt vieler Haushalte nach einer unabhängigen dieser Puffer vor allem in den Sommer-, Energieversorgung haben Photovoltaik- jedoch kaum in den Wintermonaten. Daher anlagen und zuletzt auch lokalen Speichern kann die dezentrale Stromerzeugung und zu erheblicher Verbreitung in Deutschland -speicherung keine alleinige Alternative zum verholfen. Technisch kann die Kombination konventionellen Netzausbau sein. von lokalen Speichern mit Photovoltaik- anlagen als Puffer genutzt werden, um Überlastungen der Netze an kritischen Zeit- punkten zu vermeiden.
FLEXIBILISIERUNG DES LADEVORGANGS ZUR GLÄTTUNG DER LAST 93 86 78 72 58 52 Die kritische Masse bei der Teilnehmerzahl ist ent- scheidend für die Wirksamkeit des flexiblen Ladens. Bereits ab einer Teilnehmerquote von 30 Prozent 40 am flexiblen Laden sind signifikante Effekte zu ver- zeichnen, ab 93 Prozent wird ein Netzausbau komplett überflüssig und ermöglicht damit erhebliche 30 Kosteneinsparungen. Mindestteilnehmer zur Vermeidung 3 eines Netzausbaus in % E-Auto-Quote in % 10 20 30 35 40 50 60 70 80 90 100 14
Als eine gangbare und wirtschaftlich sinn- volle Alternative zum Netzausbau erweist sich die intelligente Flexibilisierung des Lade- vorgangs bei Elektrofahrzeugen. In der Regel ist der Ladevorgang im Vergleich zur Stand- zeit über Nacht so kurz, dass das E-Auto die meiste Zeit nachts am Netz angeschlossen ist, ohne aktiv geladen zu werden. Die meis- ten Ladevorgänge verfügen deshalb über eine zeitliche Flexibilität. Sie müssen nicht unbedingt in dem Moment starten, in dem das Auto an die Steckdose angeschlossen wird. Vielmehr kann der Ladevorgang auch später in der Nacht – also außerhalb der Spitzenlast-Zeiten – beginnen, ohne dass ein Elektroauto-Nutzer am nächsten Tag auf sein vollgeladenes Fahrzeug verzichten muss. Durch eine Flexibilisierung von Ladezeitpunkt und -leistung kann ein Ortsnetzbetreiber die Ladelast eines Elektroautos verschieben, sodass die kumulierte Spitzenlast reduziert und die Lastkurve insgesamt geglättet wird. 15
Um die Vorteile des flexiblen Ladens ein- Überzeugt ein Netzbetreiber eine hin- schätzen zu können, hat Oliver Wyman reichend große Anzahl an Teilnehmern von Szenarien mit unterschiedlich vielen flexiblen der Flexibilisierung der Ladevorgänge, ist das Ladeteilnehmern pro Ortsnetzknoten flexible Laden eine Alternative zum konven- analysiert. tionellen Netzausbau – zumal die technische Umsetzung dieses Konzepts weitestgehend Die Ergebnisse: durch Softwarelösungen realisierbar ist. Bereits wenn 30 Prozent der E-Auto-Besitzer Um die Bereitschaft der Besitzer von E-Autos am flexiblen Laden teilnehmen, kann die zur Teilnahme am flexiblen Laden zu erhöhen, kritische Spitzenlast am Ortsnetzknoten dürfte ein Anreiz notwendig werden. Eine signifikant reduziert werden. Sind es die Beispielrechnung: Bei einer Bezuschussung Hälfte, wird der Grenzwert der integrierbaren von 100 Euro pro Teilnehmer und Jahr würden Elektromobilitätsquote ohne Netzausbau bei einer E-Auto-Quote von 50 Prozent Kosten von 30 Prozent auf 50 Prozent gesteigert. in Höhe von etwa 4,6 Milliarden Euro bis Das heißt: In diesem Fall kann jedes zweite zum Jahr 2039 (kumuliert) entstehen. Im Ver- Auto ein E-Auto sein, ohne dass es zu den gleich mit den Kosten eines Netzausbaus gewöhnlichen Ladezeiten zu Engpässen im (11 Milliarden Euro) bedeutet dies ein Einspar- Verteilnetz kommt. Gelingt es den Netzbe- potenzial von rund 6,4 Milliarden Euro. treibern, mindestens 92,5 Prozent der Besitzer von E-Fahrzeugen für das flexible Laden zu gewinnen, wird ein Ausbau des Netzes überflüssig, selbst wenn die E-Auto-Quote 100 Prozent beträgt. 16
FLEXIBILISIERUNG DES LADEVORGANGS ALS AUSWEG AUS DEM E-MOBILITÄTS-BLACKOUT Vor dem Hintergrund deutlich zunehmender hat das Potenzial, das Ausmaß des Netzaus- Elektromobilität müssen Netzbetreiber jetzt baus dramatisch zu reduzieren und immense handeln, um ihre Ortsnetze auf erhöhte Kosteneinsparungen zu ermöglichen. Für Gleichzeitigkeit vorzubereiten. Tun sie es die Netzbetreiber besteht die größte Heraus- nicht, kommt es bereits ab 2032 zu flächen- forderung darin, eine ausreichend große deckenden Versorgungsengpässen. Punk- Anzahl von E-Auto-Besitzern durch Bezu- tuell – etwa in suburbanen Bereichen mit schussung zur Teilnahme zu bewegen. einer höheren Affinität zur Elektromobilität und einer entsprechender Häufung von Voraussetzung für die Realisierung dieser E-Autos in einem Ortsnetzknoten – werden Alternative sind entsprechende regulatorische diese Engpässe bereits in fünf bis zehn Rahmenbedingungen: Der Regulator muss Jahren auftreten. die Netzbetreiber in die Lage versetzen, Lade- vorgänge dezentral steuern zu können. Um dem E-Mobilitäts-Blackout zu vermeiden, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Die Zudem sollte das System so gestaltet werden, intelligente Flexibilisierung der Ladevorgänge dass die Verteilnetzbetreiber selbst einen stellt dabei eine ökonomisch höchst attraktive Anreiz haben, flexibles Laden anstelle eines Alternative zum Netzausbau dar, denn sie weiteren Netzausbaus umzusetzen. 18
ÜBER OLIVER WYMAN Oliver Wyman ist eine international führende Managementberatung mit weltweit 4.500 Mitarbeitern in mehr als 50 Büros in 30 Ländern. Das Unternehmen verbindet ausgeprägte Branchenspezialisierung mit hoher Methodenkompetenz bei Strategieentwicklung, Prozess- design, Risikomanagement und Organisationsberatung. Gemeinsam mit Kunden entwirft und realisiert Oliver Wyman nachhaltige Wachstumsstrategien. Wir unterstützen Unter- nehmen dabei, ihre Geschäftsmodelle, Prozesse, IT, Risikostrukturen und Organisationen zu verbessern, Abläufe zu beschleunigen und Marktchancen optimal zu nutzen. Oliver Wyman ist eine hundertprozentige Tochter von Marsh & McLennan Companies (NYSE: MMC). Weitere Informationen finden Sie unter www.oliverwyman.de Folgen Sie Oliver Wyman auf Twitter @OliverWyman ÜBER DIE TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN Die Technische Universität München (TUM) ist mit mehr als 550 Professorinnen und Professoren, 41.000 Studierenden sowie 10.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern eine der forschungsstärksten Technischen Universitäten Europas. Ihre Schwerpunkte sind die Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften, Lebenswissenschaften und Medizin, verknüpft mit den Wirtschafts- und Sozialwissenschaften. Die TUM handelt als unter- nehmerische Universität, die Talente fördert und Mehrwert für die Gesellschaft schafft. Dabei profitiert sie von starken Partnern in Wissenschaft und Wirtschaft. Weltweit ist sie mit dem Campus TUM Asia in Singapur sowie Verbindungsbüros in Brüssel, Kairo, Mumbai, Peking, San Francisco und São Paulo vertreten. An der TUM haben Nobelpreisträger und Erfinder wie Rudolf Diesel, Carl von Linde und Rudolf Mößbauer geforscht. 2006 und 2012 wurde sie als Exzellenzuniversität ausgezeichnet. In internationalen Rankings gehört sie regelmäßig zu den besten Universitäten Deutschlands. Copyright © 2018 Oliver Wyman. Alle Rechte vorbehalten.
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