Simon Kreutmayr - IEWT 2021

Elektromobilität im städtischen Niederspannungsnetz –
Auswirkungen standortbezogener Szenarien auf ein
dynamisches Lastmanagement am Netzanschluss

08. September 2021
IEWT 2021

 Simon Kreutmayr
 Dominik J. Storch, Simon Niederle, Christoph J. Steinhart, Maik Günther, Michael Finkel, Rolf Witzmann

 Im Rahmen des Projektes:

Agenda

  Motivation
  Methodik
  Ladeprofilgenerator
  Szenarien und Simulationsergebnisse
  Erkenntnisse und Ausblick

Folie 2 IEWT 2021, 08. – 10. September 2021 Simon Kreutmayr

Motivation & Methodik

 Agenda:
 • Stark wachsende Zulassungszahlen von batterieelektrischen
 Fahrzeugen (BEV) und Ziele zur Vollelektrifizierung bis 2050 (2045)
Motivation
Motivation
 • Flexible Methodik zur Untersuchung der Zusatzbelastung im
Methodik städtischen Bereich anhand von drei charakteristischen NS-Netzen
 Netz Wohnen Altbau Wohnen Neubau Gewerbe
Ladeprofil-
 Bebauungs- Wohngebiet im Altbestand mit Wohngebiet im Neubau mit Gewerbegebiet für
generator
 struktur Blockbebauung Zeilenbebauung Einzel- & Großhandel
Szenarien &
Ergebnisse Parkplatz- Wenige Parklätze in Innenhof, Keine Parkplätze auf priv. Große Parkflächen
 situation einzelne kleine Tiefgaragen, Grund, große Tiefgaragen, vor Gebäuden, keine
Erkenntnisse viele Straßenstellplätze wenige Straßenstellplätze Straßenstellplätze

 • Berücksichtigung von dynamischem Lastmanagement am
 Netzanschlusspunkt
 • Untersuchung der Einflüsse von:
 Ladeleistung, Einsteckverhalten, Temperatur, Durchdringung
 Folie 3 IEWT 2021, 08. – 10. September 2021 Simon Kreutmayr

Agenda

  Motivation
  Methodik
  Ladeprofilgenerator
  Szenarien und Simulationsergebnisse
  Erkenntnisse und Ausblick

Folie 4 IEWT 2021, 08. – 10. September 2021 Simon Kreutmayr

Methodik
 1. Standortdaten der Netzanschlusspunkte
 Adress-Information Verhältnisse auf Baublockebene Baublock-Information
 Agenda: 1. Ermittlung Ladebedarf und • Anzahl Wohneinheiten
 • Gewerbefläche
 • Bewohner pro Haushalt
 • PKW pro Haushalt
 • PKW-Bestand priv./gew.
 • Bevölkerung

 Verteilung der Ladepunkte an • Parkplatzsituation • Stellplätze pro Hausanschluss • Parkplatzsituation

Motivation Netzanschlüsse auf Basis von Information für jeden Netzanschlusspunkt
 Absicherung des Anzahl Haushalte Anzahl PKW mit Anzahl PKW mit

Methodik
Methodik
 Standortdaten Netzanschlusses und Gewerbefläche privatem Stellplatz Straßenstellplatz

 2. Generierung von Lastgängen für jeden Netzanschlusspunkt
Ladeprofil-
generator 2. Erstellung von Ladeprofilen, die Nachbildung Bestandslast
 • Haushalts-Profilgenerator mit
 BEV-Profilgenerator
 • Definition: DLM, Ladeleistung, Ladeintervall,
 Variation des
 Referenzszenarios

Szenarien & an den Netzanschlüssen angelegt Jahresverbrauch
 • Gewerbe-Standardlastprofil
 Umgebungstemperatur, Durchdringung

 in Bezug auf die
Ergebnisse werden Gebäudefläche Heimladung
 u.a. mit DLM
 Mitarbeiter- & Kunden-
 ladung u.a. mit DLM
 Öffentliches Laden
 (paralleler Anschl.)

Erkenntnisse Summenlastgang für jeden Netzanschlusspunkt

 n Iterationen

 3. Bewertung der thermischen 3. Bewertung der Netzbelastung
 Belastung an Netzknoten Netzberechnung (Ausblick für zukünftige Arbeit)
 • Aggregation auf NS-Strang und Ortsnetztrafo • Netzmodell mit realen Betriebsmitteln
 Belastung von Ortsnetzstrans- • Bewertung der thermischen Belastung unter der
 Annahme von Standardbetriebsmitteln
 • Bewertung der thermischen Belastung und des
 Spannungsbands

 formatoren und NS-Strängen Farblegende: Eingangsdaten Arbeitsschritt Ausblick
 DLM – Dynamisches
 Lastmanagement

 Folie 5 IEWT 2021, 08. – 10. September 2021 Simon Kreutmayr

Agenda

  Motivation
  Methodik
  Ladeprofilgenerator
  Szenarien und Simulationsergebnisse
  Erkenntnisse und Ausblick

Folie 6 IEWT 2021, 08. – 10. September 2021 Simon Kreutmayr

Eingangsdaten: Privates Laden
 1. Energiebedarf
 PKW-Tagesstrecke Wegstrecke: s Geschwindigkeit: v(s) Verbrauch: E(v(s))

 Agenda:
 Methodik für Heim- und Arbeitsladen 1,0 0,6 90 30

 Häufigkeit
 Häufigkeit
 kumuliert
 Häufigkeit kumuliert
 0,4

 km/h
 Geschwindigk. km/h

 kWh
 in kWh
 0,8 0,2 70 20

 auf Basis von MiD2017:

 Geschwindigk.

 Energie in
 0,0
 4 ≥5

 Energie
 1 2 3

 Häufigkeit
 0,6 Mo-Fr 50 10
 Fahrten am Tag
 Sa,So
 0,4 30 0
 Vereinfacht: 2 Wege

 1. Ermittlung Tagesenergiebedarf auf 0 50 100 150 0 50 100 150
Motivation 0 100 200 300
 Tagesstrecke in km pro PKW pro Tag Wegstrecke in km Wegstrecke

 Basis von Wegstrecken
Methodik 2. Einflussfaktoren auf Ladeenergie 3. Simulation des Ladeverhaltens

 2. Definition des „Einsteckverhaltens“ Temperatur
 2,6
 Einsteckverhalten
 1,0
 SoC-Verlauf eines PKW über 100 Tage
 100

 Einsteckwahrsch.
 2,2 0,8 80
Ladeprofil-
Ladeprofil-

 SoC in %
 Koeffizient
 und der Temperatur
 0,6 60
 1,8
 0,4
generator
Generator 1,4 0,2
 40
 20
 1,0 0,0 0

Szenarien & 3. Simulation des täglichen -20 0 20
 Temperatur in C
 0 25 50 75 100
 SoC in %
 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
 Simulationstag

Ergebnisse
 Ladeverhaltens über 200.000 Tage 5. Ladeleistung und Zeitpunkt 4. Verteilung Ladeenergie und Ladeintervall

Erkenntnisse Ladeleistung Einsteckzeitpunkt Ladewahrscheinlichk. Ladeenergie
 4. Statistische Auswertung von 1,0 1,0 0,04

 Häufigkeit kumuliert

 Wahrscheinlichk.
 Leistungsverteilung:

 Wahrsch.-dichte
 0,8 0,8
 • Ladepunkte 0,03
 0,6

 Ladeenergie und Ladeintervall
 0,6
 • Heimladung 0,02
 0,4
 • Straßenladung 0,4
 0,2
 • Arbeitsladung 0,2 0,01
 • Kundenladung 0,0
 0,0 0,00

 Mo

 Mi

 Fr
 Sa
 So
 Di

 Do
 Mo

 Mi

 Fr
 Sa
 So
 Di

 Do
 5. Definition von Ladeleistung und • Fahrzeug (BEV) 0 8
 Uhrzeit in h
 16 24
 Wochentag
 0 20 40
 Energie in kWh
 60

 Einsteckzeitpunkte Eingangsdaten für BEV-Profilgenerator

 Farblegende: Eingangsdaten Simulation Ergebnis

 Folie 7 IEWT 2021, 08. – 10. September 2021 Simon Kreutmayr

Validierung Profilgenerator
 Heimladung Arbeitsladung
 Agenda: 1,0 1,0
 Gleichzeitigkeits- 11 kW Wintzek et al. 11 kW Wintzek et al.

 Gleichzeitigkeitsfaktor

 Gleichzeitigkeitsfaktor
 0,8 11 kW VBEW 0,8 11 kW VBEW
 11 kW Bedarf Montag 11 kW Bedarf Montag
Motivation
 faktoren 0,6 11 kW Täglich Montag 0,6 11 kW Täglich Montag
 0,4 22 kW Bedarf Montag 0,4 11 kW Bedarf Dienstag

 0,2 0,2
Methodik 0,0 0,0
 4 54 104 154 204 254 4 54 104 154 204 254
Ladeprofil-
Ladeprofil- Anzahl BEV Anzahl BEV
 0,6 2,5
generator
Generator

 Wirkleistung in kW
 Wirkleistung in kW
 Durchschnittlicher 0,5
 0,4
 2,0
Szenarien & 1,5
Ergebnisse Ladelastgang 0,3
 0,2 1,0
 0,1 0,5
Erkenntnisse 0,0 0,0
 0 3 6 9 12 15 18 21 24 0 3 6 9 12 15 18 21 24
 Zeit in Stunden Zeit in Stunden
 Samweber (MONA) 11 kW Bedarf Montag
 11 kW Bedarf Montag 11 kW Täglich Montag
 11 kW Täglich Montag
 22 kW Bedarf Montag 11 kW Bedarf Dienstag

 Bedarf: Ladung der Batterie abhängig von SoC
 Temperatur -10°C Täglich: Ladung der Batterie an jedem Tag mit Fahrt
 Folie 8 IEWT 2021, 08. – 10. September 2021 Simon Kreutmayr

Eingangsdaten: Öffentliches Laden
 Ladeort Energie Ladevorgänge Tageszeit
 Agenda:
 Supermarkt Kundenparkplatz 0,10 0,6 0,008

  1x 20 kW DC Ladepunkt oder 0,08 0,006

 Häufigkeit
 Häufigkeit
 0,4

 Häufigkeit
 1x 22 kW AC Ladepunkt 0,06
 0,004
Motivation  8 Uhr – 20 Uhr, max. 1 h, kostenlos 0,04
 0,2
 0,002
  Datenbasis: 450 Ladevorgänge 0,02

Methodik  Betrachtungszeitraum: Werktage 0,00
 0 0,3 0,6 0,9
 0,0
 0 5 10 15
 0,000
 0 4 8 121620
 von 11/20 bis 01/21 Energie normiert Ladungen pro Tag Tageszeit in h

Ladeprofil-
Ladeprofil- Straßenladung im Wohngebiet 0,10 0,6 0,008

generator
Generator  2x 22 kW AC Ladepunkte 0,08 0,006

 Häufigkeit

 Häufigkeit
 0,4

 Häufigkeit
  Gebiete mit Flächennutzung: 0,06
 0,004
Szenarien & Wohnen Allgemein 0,04
 0,2
Ergebnisse  Datenbasis: 15.140 Ladevorgänge 0,02 0,002

 an 219 Ladesäulen 0,00 0,0 0,000
 0 0,3 0,6 0,9 0 5 10 15
  Betrachtungszeitraum: Werktage
 0 4 8 121620
Erkenntnisse Energie normiert Ladungen pro Tag Tageszeit in h
 von 10/20 bis 12/20
 0,10 0,6 0,008
 Tankstelle 0,08
 0,006
  2x DC Ladepunkte ∑150 kW und

 Häufigkeit
 Häufigkeit

 Häufigkeit
 0,4
 0,06
 1x AC Ladepunkt 22 kW 0,04
 0,004
 0,2
  Datenbasis: 1.375 Ladevorgänge 0,02 0,002
  Betrachtungszeitraum: Werktage 0,00 0,0 0,000
 von 05/20 bis 05/21 0 0,3 0,6 0,9 0 5 10 15 0 4 8 121620
 Energie normiert Ladungen pro Tag Tageszeit in h

 Folie 9 IEWT 2021, 08. – 10. September 2021 Simon Kreutmayr

Dynamisches Lastmanagement (DLM)

 Agenda: 80
 Bestandslast

 Scheinleistung in kVA
 • DLM reduziert Ladeleistung, wenn 60 Ohne DLM
Motivation
 der gemessene Laststrom am Mit DLM
 40 Bezug DLM
Methodik Netzanschluss die Sicherungsgröße
Ladeprofil-
Ladeprofil-
 übersteigt 20
generator
Generator • Installation und Betrieb des DLM 0
Szenarien &
Ergebnisse
 durch Anschlussnehmer zur 8 10 12 14 16 18 20 22 24
 Vermeidung einer Anschluss- Zeit in Stunden
Erkenntnisse
 vergrößerung Simulationsergebnis an einem
  Keine Steuerung auf „Netzzustand“ exemplarischen Netzanschluss
  Keine Steuerung durch Netzbetreiber • 8 Wohneinheiten
 • 40 BEV in Tiefgarage

 Folie 10 IEWT 2021, 08. – 10. September 2021 Simon Kreutmayr

Agenda

  Motivation
  Methodik
  Ladeprofilgenerator
  Szenarien und Simulationsergebnisse
  Erkenntnisse und Ausblick

Folie 11 IEWT 2021, 08. – 10. September 2021 Simon Kreutmayr

Untersuchte Szenarien
 S0: Referenzszenario (2050)
 Agenda:
 • Durchdringung: 100 %
 • DLM: Bezogen auf Sicherungswert mit 5 A Reserve
Motivation
 • Ladeleistung: Ladepunkte 22 kW
Methodik BEV bei 50 % mit 11 kW und 50 % mit 22 kW
 • Einsteckverhalten: Spätestens bei 125 km Restreichweite,
Ladeprofil-
generator
 frühestens bei 38 km gefahrener Strecke
 • Temperatur: -10°C
Szenarien &
Szenarien &
Ergebnisse
Ergebnisse • Weitere Paramater: ….
Erkenntnisse Vergleichsszenarien
 • S1: Ohne DLM
 • S2: Ladeleistung reduziert
 • S3: Einsteckverhalten täglich
 • S4: Temperatur 25°C
 • S5: Durchdringung 50 %
 Folie 12 IEWT 2021, 08. – 10. September 2021 Simon Kreutmayr

Untersuchte Netze

 Agenda:
 Wohnen Altbau Wohnen Neubau Gewerbe mit Einzelhandel

Motivation

Methodik

Ladeprofil-
generator
Szenarien &
Szenarien &
Ergebnisse
Ergebnisse

Erkenntnisse

 Darstellung aggregierter Lasten an: Maximale Scheinleistung zu jedem
 • Transformator Zeitschritt (1 min) von 100 Iterationen:
 • Typischer Strang: blau max,iter = max ( ሻ
 1≤ ≤ iter
 • Spezieller Strang: grün
 Folie 13 IEWT 2021, 08. – 10. September 2021 Simon Kreutmayr

Transformator in Wohng. Neubau
 ― Bestandslast S0 Referenzszenario
 Agenda: S0 Referenzszenario S3 Einsteckverhalten täglich
 S1 Ohne DLM S4 Temperatur 25 °C
Motivation S2 Ladeleistung reduziert S5 Durchdringung 50 %
 ― Therm. Belastungsgrenze ― Therm. Belastungsgrenze
Methodik
 600 600
 Smax,iter in kVA

 Smax,iter in kVA
Ladeprofil-
generator 450 450

Szenarien &
Szenarien & 300 300
Ergebnisse
Ergebnisse 150 150

Erkenntnisse 0 0
 0 6 12 18 24 30 36 42 48 0 6 12 18 24 30 36 42 48
 Zeit in Stunden Zeit in Stunden

 • 100 % E-Mobilität führt zu einem Anstieg der Spitzenlast von ca. 200 kVA
 • Kein wesentlicher Unterschied mit und ohne DLM
 • Vergleichsszenarien zu Ladeleistung, Temperatur, Durchdringung senken Last
 Folie 14 IEWT 2021, 08. – 10. September 2021 Simon Kreutmayr

Typischer Strang in Wohng. Neubau
 ― Bestandslast S0 Referenzszenario
 Agenda: S0 Referenzszenario S3 Einsteckverhalten täglich
 S1 Ohne DLM S4 Temperatur 25 °C
Motivation S2 Ladeleistung reduziert S5 Durchdringung 50 %
 ― Therm. Belastungsgrenze ― Therm. Belastungsgrenze
Methodik
 200 200

 Smax,iter in kVA
 Smax,iter in kVA

Ladeprofil-
generator 150 150

Szenarien &
Szenarien & 100 100
Ergebnisse
Ergebnisse 50 50

Erkenntnisse 0 0
 0 6 12 18 24 30 36 42 48 0 6 12 18 24 30 36 42 48
 Zeit in Stunden Zeit in Stunden

 • Spitzenlast verdoppelt sich im Vergleich zur Bestandslast
 • Kein wesentlicher Unterschied mit und ohne DLM
 • Unterschiedliches Einsteckverhalten (Bedarf / Täglich) ändert das Ergebnis nicht
 Folie 15 IEWT 2021, 08. – 10. September 2021 Simon Kreutmayr

Spezieller Strang in Wohng. Neubau
 ― Bestandslast S0 Referenzszenario
 Agenda: S0 Referenzszenario S3 Einsteckverhalten täglich
 S1 Ohne DLM S4 Temperatur 25 °C
Motivation S2 Ladeleistung reduziert S5 Durchdringung 50 %
 ― Therm. Belastungsgrenze ― Therm. Belastungsgrenze
Methodik
 200 200
 Smax,iter in kVA

 Smax,iter in kVA
Ladeprofil-
 150 150
generator
 100 100
Szenarien &
Szenarien &
Ergebnisse
Ergebnisse 50 50

Erkenntnisse 0 0
 0 6 12 18 24 30 36 42 48 0 6 12 18 24 30 36 42 48
 Zeit in Stunden Zeit in Stunden

 • Reduzierung der Spitzenlast um ca. 50 kVA durch DLM
 • Strang versorgt nur zwei Netzanschlüsse, einer davon mit 57 BEV und DLM
 • Bei 50 % Durchdringung ist die Spitzenlast in etwa gleich groß
 Folie 16 IEWT 2021, 08. – 10. September 2021 Simon Kreutmayr

Agenda

  Motivation
  Methodik
  Ladeprofilgenerator
  Szenarien und Simulationsergebnisse
  Erkenntnisse und Ausblick

Folie 17 IEWT 2021, 08. – 10. September 2021 Simon Kreutmayr

Erkenntnisse und Ausblick
 Standortanalyse
 Agenda:
 • Fehlende Infos zur regionalen Verteilung werden durch Annahmen ersetzt
Motivation
 • Übertragbarkeit auf andere Netzgebiete ist möglich
 • Herausforderung bei Abschätzung von Orten und Stellplätzen priv. Tiefgaragen
Methodik Lastprofilgenerator
Ladeprofil- • Validierung zeigt Übereinstimmung mit bestehender Literatur
generator • Arbeitsladen verursacht deutlich höhere Gleichzeitigkeitsfaktoren als Heimladen
Szenarien &
Ergebnisse
 Simulationsergebnisse
 • Ausschließlich Extremszenarien führen zu kurzzeitiger Überlastung
Erkenntnisse
Erkenntnisse
 • DLM am Netzanschluss reduziert die maximale Belastung am Trafo kaum
 • An gewissen Niederspannungssträngen führt DLM zur Entlastung
 Ausblick
 • Lastflussberechnungen zur Bewertung der Spannungsqualität
 • Untersuchung der Zusatzbelastung im Mittelspannungsnetz
 Folie 18 IEWT 2021, 08. – 10. September 2021 Simon Kreutmayr

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
 Simon Kreutmayr
 Hochschule Augsburg
 Fakultät für Elektrotechnik
 An der Hochschule 1
 86161 Augsburg
 Tel.: + 49 821 5586 3634
 Im Rahmen des Projektes:
 E-Mail: simon.kreutmayr@hs-augsburg.de

 https://www.hs-augsburg.de/E-Motion-to-Grid.de

Folie 19 IEWT 2021, 08. – 10. September 2021 Simon Kreutmayr