Das fehlende Teil: Wie verschiedene Verhaltensweisen das flexible Laden von Elektrofahrzeugen beeinflussen

In einem zunehmend dezentralisierten und elektrifizierten Energiesystem könnten die Nutzer von Elektrofahrzeugen (EV) und ihre unterschiedlichen Verhaltensweisen die derzeitigen Bemühungen um eine Energiewende in vielen Regionen der Welt sowohl drastisch behindern als auch erheblich unterstützen. Der negative oder positive Effekt hängt davon ab, wie die Nutzer in das System integriert werden. Es besteht die Gefahr, dass das Netz hohe Spitzen in der Stromnachfrage erfährt, wenn viele EV-Nutzer ihre Fahrzeuge gleichzeitig aufladen. Änderungen im Ladeverhalten, die das Laden auf andere Zeiten und Orte verlagern, können den Netzausbaubedarf erheblich minimieren und die Stromnachfrage mit dem variablen Angebot an erneuerbarer Energie ausgleichen. Trotz dieses Flexibilitätspotenzials werden die Verhaltensaspekte des Ladens von Elektrofahrzeugen in Studien und Pilotprojekten oft zu stark vereinfacht oder sogar vernachlässigt. In diesem Blogpost wird erörtert, wie verschiedene Verhaltensweisen die Integration von E-Fahrzeugen und erneuerbaren Energien unterstützen können.

Bei vielen Diskussionen über das Laden von Elektrofahrzeugen geht es um technische Aspekte und Kosten: Kann das Netz die zusätzliche Last bewältigen? Wie viele Investitionen in die Infrastruktur sind erforderlich? Wie können wir E-Fahrzeuge "intelligent" machen? Während all diese Fragen für die Integration von E-Fahrzeugen in das Stromsystem sehr wichtig sind, darf einer der Hauptakteure einer erfolgreichen Integration von E-Fahrzeugen nicht vergessen werden: der E-Fahrzeugnutzer!

Das Verhalten der EV-Nutzer ist tendenziell stark vereinfacht in Studien, die die Ladelast von E-Fahrzeugen untersuchen. Der Schwerpunkt liegt in der Regel auf technischen Aspekten und es wird davon ausgegangen, dass das Laden von E-Fahrzeugen vollständig kontrollierbar ist. Dies führt zu erheblichen Unterschiede zwischen den Modellergebnissen und den Beobachtungen im realen Leben, da das Verhalten einen starken Einfluss auf das Laden von Elektrofahrzeugen hat. Eine detailliertere Betrachtung der verschiedenen Verhaltensweisen ist erforderlich, um geeignete Strategien für eine flexible Integration von E-Fahrzeugen zu identifizieren. Durch die Bereitstellung räumlicher und zeitlicher Flexibilität könnten die Nutzer von Elektrofahrzeugen nicht nur die Integration ihres eigenen Fahrzeugs unterstützen, sondern auch die Integration von variablen erneuerbaren Energien.  

Das Nutzerverhalten ist sehr unterschiedlich

Die beiden wichtigsten Verhaltensweisen, die für das flexible Laden von E-Fahrzeugen relevant sind, sind das Fahr- und das Ladeverhalten. Was das Fahrverhalten betrifft, so denken die meisten Menschen an Pendler. Das tatsächliche Fahrverhalten in der realen Welt ist jedoch sehr vielfältig. Tatsächlich machen Pendler nur 28% der Autofahrer in städtischen und 24% in ländlichen Gebieten in den Kantonen Zürich, Freiburg und Graubünden aus (siehe Abbildung 1). Andere Fahrverhaltensweisen weisen ähnliche oder sogar höhere Anteile auf, z. B. das Zurücklegen kurzer Strecken oder eine geringe und frühe Autonutzung. In ländlichen Gebieten ist der Anteil der Langstreckenfahrer relativ hoch bei 26%. Da das Fahrverhalten bestimmt, wo und wann E-Fahrzeuge geparkt werden und somit an einer Ladestation angeschlossen werden können, ist es wichtig, bei der Untersuchung des flexiblen Ladens von E-Fahrzeugen verschiedene Fahrweisen zu berücksichtigen. Bezüglich des Ladeverhaltens,Schlüsselfaktoren Der Ladezustand (SOC) der Batterie, die Tageszeit, der Standort und die geplante Reise sind die wichtigsten Faktoren, die beeinflussen, wann und wo EV-Nutzer laden. Mit der zunehmenden Verbreitung von E-Fahrzeugen werden sich die Fahr- und Ladegewohnheiten wahrscheinlich noch stärker unterscheiden. Neueinsteiger, die typischerweise unterschiedliche soziodemografische Merkmale und unterschiedliche Tagesabläufe aufweisen, zeigen ein unterschiedliches Fahr- und höchstwahrscheinlich auch ein unterschiedliches Ladeverhalten.

Abbildung 1: Anteil des Fahrverhaltens in städtischen und ländlichen Gebieten an einem typischen Wochentag (Tortendiagramme) in den Kantonen Zürich, Freiburg und Graubünden sowie die für die Clusterbildung verwendeten Merkmale (unten) (eigene Abbildung). Vollständige Beschreibung des Fahrverhaltens: Gschwendtner et al.

Unter zwei aktuelle Studienuntersuchen wir die Auswirkungen verschiedener Fahr- und Ladeverhaltensweisen auf die Ladelast und deren Flexibilität in verschiedenen städtischen, vorstädtischen und ländlichen Gebieten. Um der Vielfalt der Verhaltensweisen Rechnung zu tragen, unterteilen wir das Ladeverhalten in Einsteckverhalten und Ladevorgänge. Und warum? Weil diese beiden Elemente gegensätzliche Eigenschaften haben: Die Plug-in-Verhalten bezieht sich auf das Verbinden des Elektrofahrzeugs mit einer Ladestation zu Beginn der Parkzeit, gefolgt von der Ladevorgang innerhalb einer bestimmten Parkzeit. Folglich kann das Plug-in-Verhalten den Ladevorgang über die Parkzeiten hinweg verlagern, was sowohl die zeitliche als auch die räumliche Verlagerung beeinflusst. Im Gegensatz dazu können Ladevorgänge nur den Zeitpunkt des Ladens beeinflussen. Das Plug-in-Verhalten hängt viel mehr von Verhaltensaspekten ab, d. h. davon, wo und wann sich ein Nutzer eines Elektrofahrzeugs entscheidet, sein Auto anzuschließen. Im Gegensatz dazu ist der Ladevorgang, sobald er vom E-Fahrzeugnutzer angenommen wurde, weitgehend automatisiert und erfordert nur ein Minimum an Interaktion seitens der E-Fahrzeugnutzer. Indem man herausfindet, wie viel Flexibilität sich aus dem veränderten Plug-in-Verhalten im Vergleich zum automatisierten Ladevorgang in verschiedenen Stadien der Verbreitung von E-Fahrzeugen ergibt, können geeignete Ladestrategien für verschiedene Gebiete entwickelt und entsprechende Anreize geschaffen werden.

Um verschiedene Ladeverhaltensweisen zu erfassen, haben wir mehrere Plug-in-Verhaltensweisen analysiert, darunter das Laden während der Arbeit ("Work" in Abbildung 2), bei jeder Gelegenheit ("Opportunity") oder wenn der SOC unter 30% fällt ("SOC"). Zu den untersuchten Ladevorgängen gehören das Laden während der Mittagszeit, um die PV-Versorgung zu integrieren, oder das Vermeiden des Ladens während der Stunden mit hoher Stromnachfrage. Die verschiedenen Ladeverfahren entsprechen unterschiedlichen Flexibilitätszielen im System, z. B. der Verringerung von Emissionen durch Laden bei hohem Angebot an erneuerbaren Energien oder der Verringerung des Netzausbaubedarfs durch Reduzierung der Spitzennachfrage.

Wie unterschiedliche Verhaltensweisen die Flexibilität des Ladens von Elektrofahrzeugen beeinflussen

Im Folgenden werden die wichtigsten Ergebnisse zu den Auswirkungen verschiedener Verhaltensweisen auf das flexible Laden von E-Fahrzeugen näher beleuchtet, beginnend mit dem Fahrverhalten. Obwohl die beiden Fahrverhaltensweisen mit langen Strecken ("Medium_Long" in Abbildung 2A) und außergewöhnlich hoher Autonutzung ("High_Use" in Abbildung 2A) einen relativ geringen Anteil an der Flotte ausmachen (siehe Abbildung 1), verursachen sie den höchsten durchschnittlichen Spitzenbedarf (Abbildung 2A). Während Änderungen des Plug-in-Verhaltens (Linienstile in Abbildung 2) die Spitzennachfrage dieser Fahrweisen bis zu einem gewissen Grad reduzieren können, schränken der hohe Energiebedarf bei langen Fahrstrecken und die relativ kurzen Verweilzeiten die Ladeflexibilität ein. Folglich können diese Fahrweisen eine besonders große Herausforderung für Verteilnetze darstellen, in denen viele Personen mit diesen Fahrweisen ihre E-Fahrzeuge in der gleichen Gegend aufladen, zum Beispiel in ländlichen Gebieten.

Abbildung 2: A) Ladelast eines durchschnittlichen E-Fahrzeugs bei verschiedenen Fahrweisen (Farben), unter der Annahme, dass 100% E-Fahrzeuge eingesetzt werden. Die Linienarten beziehen sich auf verschiedene Plug-in-Verhaltensweisen. Die Unterschiede zwischen den Linien gleicher Farbe zeigen die Flexibilität, die sich aus dem veränderten Plug-in-Verhalten ergeben kann. Stark genutzte E-Fahrzeuge führen zu den höchsten Lastprofilen; die Spitzenlast könnte durch Änderungen des Plug-in-Verhaltens bis zu einem gewissen Grad reduziert werden. B) Ladelast eines durchschnittlichen E-Fahrzeugs in verschiedenen Gebieten (Farben), unter der Annahme, dass 100% E-Fahrzeuge eingesetzt werden. Die höchsten Spitzenwerte treten in ländlichen Gebieten auf. Eine Änderung des Plug-in-Verhaltens könnte die Spitzenlast auf das Niveau der städtischen und vorstädtischen Gebiete senken. Angepasst von Gschwendtner et al.

Hinsichtlich des Ladeverhaltens und der verschiedenen geografischen Gebiete zeigt die Ladelast für ein durchschnittliches E-Fahrzeug die höchste Spitze in ländlichen Gebieten (Abbildung 2B). Gleichzeitig ist der Einfluss des Plug-in-Verhaltens in ländlichen Gebieten am größten (Unterschiede zwischen Linien gleicher Farbe; Abbildung 2B), verglichen mit städtischen und vorstädtischen Gebieten. Die Unterschiede in der Ladelast zwischen städtischen, vorstädtischen und ländlichen Gebieten resultieren wahrscheinlich aus dem unterschiedlichen Fahrverhalten in diesen Gebieten (siehe Abbildung 1). Trotz des höheren Anteils an Langstreckenfahrern können Änderungen im Plug-in-Verhalten zu Flexibilität führen und die Spitzenlast in ländlichen Gebieten erheblich reduzieren, z. B. durch Laden am Arbeitsplatz oder wenn der SOC unter einen Schwellenwert fällt, z. B. 30% (Abbildung 2B). Dies liegt unter anderem daran, dass viele Menschen in ländlichen Gebieten in städtischen oder vorstädtischen Gebieten arbeiten oder dorthin fahren, was eine erhebliche räumliche Flexibilität beim Laden ermöglicht.

Ein und derselbe Ladevorgang kann je nach dem Verhalten der Steckdosen unterschiedliche Auswirkungen auf die Flexibilitätsziele haben. Eine starke Abhängigkeit vom Plug-in-Verhalten kann das Ergebnis der Ladevorgänge für die Systembetreiber risikoreicher machen, da das Plug-in-Verhalten schwieriger zu kontrollieren ist. Insgesamt sind die vorteilhaftesten Kombinationen von Plug-in-Verhalten und Ladevorgängen spezifisch für geografische Gebiete und deren Flexibilitätsanforderungen.

Politische Entscheidungsträger brauchen verschiedene Strategien, um dem unterschiedlichen Nutzerverhalten gerecht zu werden

Diese Ergebnisse zeigen, dass sowohl das Fahr- als auch das Ladeverhalten einen wesentlichen Einfluss auf die resultierende Ladelast und die Flexibilität der E-Fahrzeuge und damit auch auf die erforderlichen Strategien für eine flexible Integration der E-Fahrzeuge haben können. Die am besten geeigneten Ladestrategien hängen vom geografischen Kontext in einem bestimmten Netzgebiet und dessen Flexibilitätsanforderungen ab. Insbesondere in ländlichen Gebieten ist mit hohen lokalen Spitzen zu rechnen, die stärker vom Steckdosenverhalten abhängen als in städtischen Gebieten. Daher haben Änderungen im Steckdosenverhalten ein hohes Potenzial, die Spitzen in ländlichen Gebieten abzumildern. Wenn die Nutzer von Elektrofahrzeugen beispielsweise mit einem niedrigen Ladezustand laden, können die Spitzenwerte reduziert werden. Daher ist es wichtig, bei der Untersuchung der Integration von E-Fahrzeugen die verschiedenen Verhaltensweisen zu berücksichtigen. Wenn Anreize für bestimmte Verhaltensweisen geschaffen werden, sollten auch ökonomisch irrationale Verhaltensweisen, die auf Gewohnheiten oder persönlichen Einstellungen sollten berücksichtigt werden und der Benutzer Attraktivität muss sichergestellt werden.

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