Einschätzung der benötigten Aufladeinfrastruktur - Alpiq E ...
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Verbreitung von Elektrofahrzeugen bis 2020 Einschätzung der benötigten Aufladeinfrastruktur Würden 15% der Privatfahrzeuge der Schweiz bis 2020 durch Elektrofahrzeuge ersetzt, könnte der CO2-Ausstoss wirksam verringert werden. Alpiq hat in ihrer Studie Vision 2020 untersucht, wie sich eine solche Entwicklung auf die Stromerzeugung und den Stromvertrieb auswirken würde. Mit dieser Studie wurden die Eigenschaften der potenziellen Käufer von Elektrofahrzeugen ermittelt sowie die Anzahl, Art und Standorte der zur Umsetzung der Vision 2020 erforderlichen Aufladeinfrastruktur geschätzt.
Der in der Schweiz erzeugte Strom ist praktisch CO2-frei CO2 /Jahr vorsieht. Das ist ein erheblicher Beitrag zum
und stammt zu 55% aus erneuerbaren Energiequellen. Klimaschutz.
Damit bietet der Schweizer Strom eine effiziente Lösung
zur Erreichung der Ziele der Schweizer Klimapolitik, ins- Für den Energieverbrauch hätte die Verwirklichung der
besondere im Bereich des Privatverkehrs. Die Schweiz ist Vision 2020 zwei Folgen: erstens eine geringfügige Zunahme
aufgrund ihres Strommixes und der Fahrzeugdichte ein des Stromverbrauchs von rund 1,2 bis 1,7 TWh, was 1,8 bis
idealer Markt für die Einführung von Elektrofahrzeugen 2,6% der gesamten Stromerzeugung in der Schweiz im Jahr
(EVs) in Europa. In ihrer Studie Vision 2020 hat Alpiq daher 2007 (65,9 TWh) entspricht; und zweitens einen Off-Peak-
die Marktdurchdringung der Elektrofahrzeuge in der Strombedarf von 1,3 GW, unter der Annahme, dass 50% der
Schweiz untersucht [1]. EV-Flotte gleichzeitig aufgeladen werden und dass es wegen
neuer Funktionalitäten des Stromnetzes, wie zum Beispiel
Vision 2020 : die Zukunft vorbereiten aktives Netz oder Smart Grid, keine Abschwächungen gibt.
Wie die Studie zeigt, könnte der CO2 -Ausstoss des Priva- Aufgabe der Elektrizitätsunternehmen ist es, die Lades-
tverkehrs in der Schweiz bis 2020 um annähernd 10%, das tationen für EVs aus dem bestehenden Netz mit Strom zu
heisst 1,2 Millionen Tonnen CO2 /Jahr verringert werden, versorgen. Der Elektrizitätsbranche, insbesondere den 900
wenn bis dahin 15% der Schweizer Privatfahrzeuge – das schweizerischen Elektrizitätsverteilern, kommt daher eine
sind insgesamt 720’000 – durch EVs ersetzt würden. Dies führende Rolle bei der Integration der Aufladeinfrastruktur
entspricht rund 10% des Treibhausgas-Reduktionsziels, zu ins Verteilernetz zu. Es ist darum für die Elektrizitäts-
dem sich die Schweiz am Klimagipfel 2009 in Kopenhagen branche äusserst wichtig, sich an der Ausarbeitung dieser
verpflichtet hat, und das eine Verminderung unserer Trei Infrastruktur zu beteiligen.
bhausgasemissionen um 20% oder 10,5 Millionen Tonnen
Voraussetzungen und Annahmen
(en milliers)
Vision 2020 ist keine Voraussage, sondern ein Szenario, das 800
von drei Bedingungen abhängt : 700
• Verringerung des Schadstoffausstosses im Strassen- 600
verkehr, Verminderung der Lärmbelästigung und Kli- 500
maschutz sind gesellschaftspolitische Entscheidungen. 400
Damit sich die Autofahrer für den Kauf eines Elektrofahr 300
zeugs entscheiden, müssen besondere Anreize geschaf- 200
fen werden. 100
• Die Hersteller von EVs müssen auf dem Schweizer Markt 0
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
2017
2018
2019
2020
attraktive und erschwingliche Fahrzeuge bereitstellen.
• Die Infrastruktur für das Aufladen der Batterien von EVs
wird an das bestehende Stromnetz angeschlossen. Die PHEV 10-20 VE 100 % elektrisch
Integration muss optimal ablaufen, ohne übertriebene PHEV 40
Infrastrukturkosten zu verursachen.
Abbildung 1 Elektrofahrzeuge insgesamt gemäss Vision 2020. (Alpiq/Protoscar)
Die Vision 2020 geht davon aus, dass vier Fünftel der EVs
Plug-in-Elektrofahrzeuge (PHEVs) und ein Fünftel zu 100% Plätze, 1200 kg) bei vollelektrischem Antrieb eine Rei-
batteriebetriebene EVs (BEVs) sind (Abbildung 1). chweite von rund 120 km sichert. PHEVs haben eine leicht
geringere Reichweite, wenn sie zu 100% mit Strom betrie-
BEVs sind mit einer Elektrobatterie von 20 kWh ausgerüs- ben werden, sind jedoch mit einem zusätzlichen Stromge-
tet, die einem Mittelklassewagen (Energieklasse C, vier nerator, dem sogenannten Range Extender ausgestattet,
2um längere Strecken zurücklegen zu können. PHEVs 10–20 Die Verteilung zwischen PHEVs und BEVs ergibt sich aus ei-
sind aufladbare Hybridfahrzeuge, die mit einer 2,5 bis ner Ende 2008 bei den führenden Herstellern durchgeführ-
5 kWh-Batterie ausgerüstet bei vollelektrischem Betrieb ten Umfrage [3]. Es handelt sich dabei um Schätzungen
10 bis 20 Meilen (15 bis 30 km) zurücklegen können. PHEVs für die Schweiz, die je nach den tatsächlich zum Verkauf
40 sind mit einer 10 kWh-Batterie ausgestattet und haben angebotenen EVs und der Reaktion des Marktes Änderun-
eine Reichweite von 40 Meilen (60 km). Zum Vergleich : gen unterliegen.
Ein Privatfahrzeug in der Schweiz legt im Durchschnitt
13’500 km/Jahr [2] d.h. 37 km/Tag zurück. PHEVs können
daher meistens vollelektrisch fahren.
Entscheidende Faktoren für
die Aufladeinfrastruktur
Die Aufladeinfrastruktur hängt von drei entscheidenden Verhalten der EV-Fahrer
Faktoren ab: Typ und Eigenschaften der EVs (BEVs oder Die sozio-ökonomischen Gewohnheiten der EV-Fahrer stel-
PHEVs), Raumordnung (im weiteren Sinne) und sozio-öko- len den dritten entscheidenden Faktor für die Aufladeinfras-
nomisches Verhalten der EV-Fahrer. truktur dar. Die Aufladeinfrastruktur bietet dem EV-Halter je
nach Fahrbedarf drei verschiedene Aufladesysteme :
Verwendete EV-Typen • Sleep & Charge : langsames Aufladen zu Hause (16 A
Der Einfachheit halber gehen wir in den folgenden Aus- Einphasenwechselstrom, 3,5 kW, Ladezeit ca. 8 Std. für
führungen davon aus, dass es sich bei allen verwendeten 20 kWh), mit Nachtstrom.
Elektrofahrzeugen um BEVs handelt, die zu 100% von der • Work/Shop & Charge : beschleunigtes Aufladen (32 A
Aufladeinfrastruktur abhängen. Diese vereinfachende Einphasenwechselstrom oder 16 A Zwei- oder Dreipha-
Hypothese führt zu einem Extremszenario, in dem die Ka- senwechselstrom, 7–12 kW, weniger als 4 Std. Ladezeit für
pazität der Aufladeinfrastruktur deutlich über dem tatsä- 20 kWh), auf öffentlichen Parkplätzen in der Stadt oder
chlich absehbaren Bedarf liegt, weil die PHEVs mit weniger auf Privatparkplätzen am Arbeitsplatz (Abbildung 2).
starken Batterien ausgestattet sind und die Infrastruktur • Coffee & Charge : Schnellaufladestationen (15–20 Min,
weniger stark beanspruchen werden. 55 kW), an strategisch günstigen Standorten, die EV-Fa-
hrern bei Bedarf die Möglichkeit für eine Notaufladung
Raumordnung und Bevölkerungsdichte bieten.
Die Aufladeinfrastruktur für eine weitläufige EV-Flotte
hängt von landesspezifischen Faktoren ab. Dazu gehören
Raumordnung, Bevölkerungsdichte und das Vorhanden-
sein oder Fehlen grösserer Städte mit mehreren Millionen
Einwohnern.
Das Schweizer Mittelland zeichnet sich durch eine sehr
grosse Bevölkerungsdichte aus, die auf zahlreiche kleinere
Agglomerationen und vereinzelte Stadtgebiete gerin-
gen Ausmasses, das heisst mit weit weniger als 1 Mio.
Einwohnern, verteilt ist. Aufgrund dieser Besiedelung der
ländlichen Gebiete und des Fehlens sehr grosser Städte ist
die Distanz zwischen den Agglomerationen gering. Dies ist
eine günstige Voraussetzung für EVs mit einer begrenzten Abbildung 2 Ladestation (Work/Shop & Charge).
Reichweite. Alpiq/Protoscar
3Das Verhalten der EV-Fahrer kann anhand von gross ange- besteht, sind die zum Aufladen verfügbaren Zeitspannen
legten Flottenversuchen bestimmt werden. Fehlen solche tagsüber begrenzt: Daher sollte das Aufladen tagsüber
Versuche (die ersten Flottenversuche in der Schweiz wer- weniger Zeit beanspruchen (Work/Shop & Charge).
den 2010–2011 durchgeführt), bleibt nur das pragmatische
Vorgehen mit gesundem Menschenverstand. Ausserdem gilt es, verschiedene emotionale Aspekte zu
berücksichtigen. Die eingeschränkte Bewegungsfreiheit
Für EV-Fahrer, die zu Hause über einen Privatparkplatz aufgrund der begrenzten Reichweite der EVs und der rela-
mit Stromanschluss verfügen, ist das langsame Aufladen tiv langen Ladezeit (Sleep & Charge, Work/Shop & Charge)
während der Nacht (Sleep & Charge) zweifelsohne am kann ein Hemmnis für den Kauf eines Elektrofahrzeugs
bequemsten und kostengünstigsten. darstellen. Die Gewissheit, dass im Notfall eine Möglichkeit
zur Schnellaufladung (Coffee & Charge) bereit steht, trägt
Verfügt der EV-Fahrer am Arbeitsplatz über einen Parkplatz erheblich zum Abbau der psychologischen Hemmschwelle
mit Stromanschluss, wird er sein Fahrzeug in der Regel dort der Angst vor der “Tankpanne“ bei. Die Bereitstellung von
aufladen, wobei diese Entscheidung von zwei Faktoren Schnellaufladestationen ist jedoch mit höheren Investi-
abhängt: einerseits von der Distanz zwischen seinem Woh- tionen verbunden als die Ladestation zu Hause; daher ist
nort und seinem Arbeitsplatz und andererseits von den mit die Schnellaufladung auch teurer und nur als Notlösung
der Bereitstellung des Stroms verbundenen Kosten. Da der gedacht.
Bedarf nach Mobilität in erster Linie während des Tages
Charakterisierung der EV-Käufer
Die Eigenschaften der potenziellen EV-Käufer wurden wagen kaufen, über ein Einkommen von mehr als
anhand von mehreren Stichprobenerhebungen ermittelt, 80’000 CHF/Jahr verfügen, mehr als ein Auto besitzen und
die landesweit bei 31’950 Haushalten, also annähernd Eigentümer
1% der 3’115’000 Haushalte der Schweiz, durchgeführt oder Mieter eines Einfamilienhauses sind.
wurden [4].
Implizit wird ausserdem angenommen :
Der EV-Käufer ist selbstverständlich ein Neuwagenkäu- • Dem Eigentümer eines Einfamilienhauses steht mindes-
fer, da es in den kommenden 5 bis 10 Jahren noch keine tens eine Garage oder ein Privatparkplatz zur Verfü-
Elektro-Gebrauchtwagen auf dem Markt geben wird. Die gung, wo eine Heimladestation einfach zu installieren
Erhebungen ergaben das folgende sozio-ökonomische ist.
Profil des typischen Neuwagenkäufers in der Schweiz: • Die EV-Erstanwender sind Autofahrer, denen eine
in drei von vier Fällen männlich, Durchschnittsalter 50, Heimladestation zur Verfügung steht.
überdurchschnittliches Einkommen, im Durchschnitt • In Haushalten mit mehr als zwei Autos wird das mit
Besitzer von 1,47 Autos [5]. Die übrigen Schweizer kaufen dem kleinsten Hubraum vorzugsweise für Stadtfahrten
Gebrauchtwagen. Mit Hilfe dieser Charakterisierung (Arbeitsweg, Einkäufe in der Stadt) benutzt.
können die potenziellen EV-Käufer annähernd ermittelt • In Haushalten mit mehr als zwei Autos kann der
werden. Zweitwagen problemlos durch ein EV (Energieklasse C)
ersetzt werden, ohne bedeutende Freiheits- oder Kom-
Ausserdem erfordert das Sleep & Charge System einen forteinbusse an Wochenenden oder in den Ferien wegen
Stromanschluss in der Nähe des Parkplatzes. Diese Bedin- der begrenzten Reichweite des EV.
gung ist für Gewöhnlich bei Besitzern oder Mietern von
Einfamilienhäusern erfüllt. Durch die statistische Verwertung [6] der Erhebungen [4]
können der Zielmarkt der EV-Erstanwender und dessen
Der Zielmarkt der EV-Erstanwender weist dementspre- Eigenschaften identifiziert werden. Die Übertragung der
chend folgende Eigenschaften auf: Haushalte, die Neu- Ergebnisse auf die Gesamtbevölkerung ergibt die Werte
4für die ganze Schweiz.Der Zielmarkt der EV-Erstanwender zen in den Städten durchaus normal ist. Die umliegenden
in der Schweiz umfasst 650’000 Haushalte oder 21% aller Gemeinden in Stadtnähe hingegen weisen im Allgemei-
Schweizer Haushalte. nen eine grosse Dichte potenzieller EV-Käufer auf.
Gemäss Vision 2020 [1] entspräche eine Marktdurchdrin-
gung der EVs von 15% im Jahre 2020 in der Schweiz 720’000
EVs, das sind etwas mehr als die Anzahl der Erstanwender
des Zielmarktes. Die Differenz dürfte durch das Bevölke-
rungswachstum und die zunehmende Kaufkraft der Haus-
halte innerhalb von zehn Jahren leicht aufzuholen sein.
Ausserdem besitzen 18% der Haushalte (560’000) nur ein
Auto mit einem Hubraum von weniger als 1660 cm3, das
in der Zeitspanne von 2015 bis 2020, wenn der Kaufpreis
eines Elektrofahrzeugs mit jenem eines herkömmlichen
Mittelklassewagens vergleichbar sein wird, auch pro-
0 50 100 km
blemlos durch ein EV ersetzt werden könnte.
Die Berücksichtigung der Standortparameter [7] zeigt die Abbildung 3 Geografische Verteilung der Zielmarkt-Dichte, pro Gemeinde. Anteil
der Zielhaushalte in % pro Gemeinde(Alpiq/Protoscar)
geografische Verteilung der Dichte des Zielmarktes nach
Gemeinden für die gesamte Schweiz auf (Abbildung 3).
Der Zielmarkt ist in den Grossstädten (Zürich, Bern, Basel, > 15 25 - 30
Genf, Lausanne) weniger dicht als im Schweizer Mittel- 15 - 20 30- 35
land, was wegen der geringen Anzahl an Privatparkplät- 20 -25 35- 40
Charakterisierung
der Aufladeinfrastruktur
Um die Eigenschaften der erforderlichen Aufladein- Zur Veranschaulichung wird hier die geografische Vertei-
frastruktur zu identifizieren, wurden zwei Hypothesen lung der Anzahl Heimladestationen pro Gemeinde in der
aufgestellt. Anhand des Zielmarktes der EV-Erstanwender
auf Gemeindeebene kann in einem ersten Schritt die An-
zahl der Heimladestationen bestimmt und deren Standort
festgelegt werden. Anhand der Anzahl verfügbarer Heimla-
destationen kann die erforderliche zusätzliche Aufladein-
frastruktur (Work/Shop & Charge und Coffee & Charge)
ermittelt werden.
Standortbestimmung für Ladestationen
Aufgrund der starken Bevölkerungsdichte im Schweizer
Mittelland befindet sich der grösste Teil des Zielmarktes
der EV-Erstanwender (91%) ausserhalb der Grossstädte, in
Haushalten mit einem grossen Anteil an Pendlern (Abbil- Abbildung 4 Verteilung des Zielmarktes der EV-Erstanwender.
(Alpiq/MicroGIS SA/OUM Uni GE)
dung 4). Gemäss unserer Hypothese (die EV-Erstanwender
verfügen über einen Privatparkplatz) stellt das Aufladen Zürich Genf
in der Nacht an Heimladestationen (Sleep & Charge) das Basel Lausanne
überwiegende Aufladesystem dar. Bern Übrige (91 %)
5Nordwestschweiz aufgezeigt (Abbildung 5). Sie liefert Vollzeitbeschäftigten, die in Haushalten mit Auto leben,
einen ersten Überblick über die räumliche Streuung der verfügen an ihrem Arbeitsplatz über einen kostenlosen
Heimladestationen im Schweizer Mittelland im Jahr 2020. oder gebührenpflichtigen Parkplatz. Erste Näherungswerte
ergeben, dass bis 2010 10% dieser Parkplätze (oder 80’990)
mit einer Ladestation ausgerüstet sein werden (Work &
Bâle
Charge), und dass die Geschäftswagen-Flotten die entspre-
Baden chende Anzahl EVs enthalten werden. Das bevorzugte
Ladesystem ist in diesem Fall das beschleunigte Aufladen
Aarau
während der Bürozeiten.
Die so definierte Aufladeinfrastruktur sollte in den Städten
durch öffentliche Ladestationen für beschleunigtes Au-
Soleure
fladen (Work/Shop & Charge) ergänzt werden. Ausserhalb
24
0
00 der Bürozeiten können diese öffentlichen Ladestationen
12
0
60 00 auch von den Anwohnern ohne Privatparkplatz zum
30 00
00
0 20 km
Aufladen in der Nacht benutzt werden. Gemäss Szenario
1 im Dokument [8] wird die Mindestanzahl öffentlicher
Abbildung 5 Anzahl Zielhaushalte pro Gemeinde in der Region Olten.
Ladestationen auf ein Dreissigstel der privaten Ladesta-
(MicroGIS SA/OUM Uni GE)
tionen geschätzt. Diese Dichte ist mit der für europäische
Heimladestationen und zusätzliche Auflade-Infrastruktur Grossstädte wie London oder Paris vorgesehenen Dichte
Das Aufladen zu Hause (Sleep & Charge) ist für den vergleichbar. Gesamtschweizerisch entspricht dies 23’000
Benutzer einfach und hinsichtlich der Investition das öffentlichen Ladestationen.
wirtschaftlich vorteilhafteste System von allen. Für den
Elektrizitätsverteiler ist es in Bezug auf den Ausgleich der Die Schnellaufladestationen (Coffee & Charge) sind als
Netzbelastung das flexibelste. Sleep & Charge liefert den Pannenhilfe in Notfällen gedacht, erfüllen aber auch eine
kostengünstigsten Fahrkilometer. wichtige psychologische Funktion. Der Übergang zur E-Mo-
bilität geht de facto mit einer gewissen Einschränkung der
Daraus ergibt sich, dass bei der Umsetzung der Vision 2020 Bewegungsfreiheit einher, da die EVs eine geringere Rei-
in erster Linie Sleep & Charge zum Zuge kommen wird. So- chweite haben als Benzin- oder Dieselfahrzeuge. Dank der
mit wird in der Schweiz zumindest bis 2020 das Aufladen in Gewissheit, im Notfall an einer Schnellaufladestation rasch
der Nacht an Heimladestationen das am meisten verwen- aufladen zu können (Coffee & Charge), kann der EV-Fahrer
dete Ladesystem für EVs sein. die volle Kapazität seiner Batterie nutzen. Es ist anzuneh-
men, dass 150 Ladestationen mit je 6 Ladegeräten für die
Das Netz an Heimladestationen (Sleep & Charge) wird ganze Schweiz ausreichen würden. Die entsprechende
durch Ladestationen am Arbeitsplatz ergänzt. 26% der Maximalleistung liegt in der Grössenordnung von 50 MW.
Schlussfolgerungen
Die der Vision 2020 entsprechende Aufladeinfrastruktur • Schnellaufladestationen mit je 6 Ladegeräten an strate-
umfasst im Jahr 2020 : gischen Standorten im Strassennetz.
• 650 000 Heimladestationen für langsames Aufladen.
• 80 000 Ladestationen für beschleunigtes Aufladen am Zwar ist diese quantitative Charakterisierung der Aufla-
Arbeitsplatz. deinfrastruktur nur eine vorläufige Schätzung, doch leistet
• 23 000 öffentliche Ladestationen für beschleunigtes Aufladen sie einen grundlegenden Beitrag zur Verbreitung der EVs in
in den Städten. der Schweiz, denn sie bildet den gemeinsamen Rahmen für
die strategischen Überlegungen aller beteiligten Akteure.
6Die Analyse des Marktes [5–7] zeigt, dass die Vision 2020 für das Stromnetz aufzeigen wird, weil hauptsächlich mit
durchaus realisierbar ist (vorausgesetzt, es werden am Sleep & Charge aufgeladen wird und weil das Schweizer
Schweizer Markt genug EVs angeboten) und dass die Aufla- Stromübertragungs- und -verteilernetz sehr belastbar ist.
deinfrastruktur in der Schweiz grösstenteils aus Heimla- Diese Analyse wird in einer späteren Publikation ausführli-
destationen für langsames Aufladen (Sleep & Charge) cher erläutert.
bestehen sollte.
Sind die Eigenschaften der Aufladeinfrastruktur bekannt,
kann mittels einer Lastflussanalyse ermittelt werden, wie
sich die Umsetzung der Vision 2020 auf das Stromübertra-
gungs- und -verteilernetz auswirken wird. Es ist anzuneh-
men, dass eine solche Analyse keine erheblichen Probleme
Quellen :
[1] Alpiq : Elektrofahrzeuge: Marktpenetration in der
Schweiz bis 2020. Lausanne und Olten, Juli 2009. www.
alpiq.ch/images/alpiq-booklet-elektrofahrzeuge_
tcm103-62306.pdf
[2] Bundesamt für Raumentwicklung (2002): Fahrleis-
tungen von Schweizer Fahrzeugen. Ergebnisse der
periodischen Erhebung der Fahrleistungen (PEFA). Bern,
2000.
[3] Protoscar : BEV und PHEV: Marktpenetration in der
Schweiz bis 2020. Rovio, Dezember 2008.
[4] Bundesamt für Statistik: Volkszählung 2000, Mikrozen-
sus Verkehrsverhalten 2005, Bevölkerungsstatistik der
Schweiz 2000.
[5] Peter de Haan : Shifting from local energy pollution
to global energy issues: the possible role of incentive
schemes promoting fuel-efficient vehicles. Institute for
Environmental Decisions, Natural and Social Science
Interfaces, ETH, Zürich, 29. August 2008.
[6] Observatoire Universitaire de la Mobilité (OUM Uni GE)
und MicroGIS SA: Evaluation de la part de la population
ayant accès à une prise électrique à sa place de parc. 4.
August 2009.
[7] MicroGIS SA et Observatoire Universitaire de la Mo-
bilité (OUM Uni GE): Voitures électriques et réseau de
bornes, étude préliminaire. 4. August 2009.
[8] Protoscar : Plug-in vehicle charging infrastructure for
Switzerland 2020. Rovio, 10. August 2009.
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