Entwicklung einer Methodik zur Bewertung des Ladeinfrastrukturbedarfs für Elektrofahrzeuge hinsichtlich Anzahl, Kosten und Auswirkungen auf die Energieversorgung am Beispiel Österreichs bis 2030

Abstract

Die derzeit noch niedrigen Bestände an batterieelektrischen (BEV) PKW und leichten Nutzfahrzeugen (LNF) in Europa und auch Österreich unterliegen aufgrund der stark zunehmenden Neuzulassungszahlen einem beachtlichen Wachstum. Durch die CO2-Flottenvorgaben für PKW und LNF ist auch zukünftig ein weiterer Anstieg an BEV zu erwarten. Daraus ergeben sich zahlreiche Fragen in Hinblick auf die erforderliche Ladeinfrastruktur, welche in dieser Arbeit untersucht werden. Um den Ladeinfrastrukturbedarf hinsichtlich der benötigten Anzahl an Ladestellen, Kosten sowie Auswirkungen auf die Energieversorgung bewerten zu können, wurde in dieser Arbeit eine allgemein gültige und international anwendbare Methodik entwickelt. Dabei fließen die Bestandsentwicklung von BEV, das Mobilitätsverhalten sowie der Energiebedarf von BEV PKW und LNF ein. Zusammen mit der verwendeten Ladeleistung lässt sich daraus die Dauer (Beginn und Ende) der Ladevorgänge berechnen. Durch die Überschneidung zahlreicher gleichzeitig stattfindender Ladevorgänge ergibt sich die Anzahl der gleichzeitig verwendeten Ladestellen (Gleichzeitigkeit) und damit die benötigte elektrische Leistung nach Uhrzeit (Leistungsgang). Aus dem Leistungsgang und der Gleichzeitigkeit ließen sich der Bedarf an elektrischer Leistung, Energie und Ladestellen sowie deren Errichtungskosten ableiten. Des Weiteren konnten mit dem berechneten Leistungsgang die Auswirkungen auf das lokale Verteilnetz in verschiedenen Netzmodellen (ländlich, klein- und großstädtisch) ermittelt werden. Die Anwendung der entwickelten Methodik erfolgte in dieser Arbeit am Beispiel Österreichs bis 2030. Die entwickelte Methodik besitzt jedoch, wie oben erwähnt, allgemeine Gültigkeit und ist damit auf andere Länder und Zeiträume anwendbar.Auf Basis österreichischer Mobilitäts-, Flotten- und Umgebungstemperaturdaten wird bis 2030 in Österreich ein zusätzlicher elektrischer Energiebedarf durch BEV von 3,2 % bzw. 2,3 TWh (bei einem Bestand von 11 % BEV PKW und 7,2 % BEV LNF) erwartet. Der Spitzenleistungsbedarf durch die Ladevorgänge beträgt 742 MW, was 7,6 % der derzeitigen österreichischen Spitzenlast entspricht. In den untersuchten Modellen für ländliche, klein- und großstädtische Verteilnetze zeigen sich bis 2030 keine Probleme hinsichtlich Einhaltung der Spannungsgrenzen sowie der Trafo- und Leitungsauslastung. Bis 2030 werden rund 770.000 Ladestellen benötigt, wodurch sich Kosten in der Höhe von 4,6 Mrd. € ergeben, was einem Wert von 7.500 € pro Fahrzeug entspricht.

The currently low fleet share of battery electric (BEV) passenger cars (PC) and light-duty trucks (LDT) are subject to considerable growth due to the rapidly increasing number of new registrations. Taking into account the CO2 fleet regulation of PC and LDT a further increase of the BEV fleet share can also be expected in the future. This raises numerous questions regarding the required charging infrastructure, which will be examined in this thesis.In order to be able to assess the charging infrastructure requirements regarding the number of charging points, costs and effects on the energy supply, a generally and internationally applicable methodology was developed in this thesis. In the calculation, the BEV fleet development, the mobility pattern as well as the energy consumption of BEV PC and LDT were considered. With the charging power used, the duration (start and end) of the charging processes can be calculated. The overlap of numerous charging processes taking place at the same time, results in the number of simultaneously used charging points (simultaneity) and the required electrical power over time. The electrical power over time and the simultaneity lead the peak power and energy demand as well as the required number of charging points and their set-up costs. In addition, the impact on the local distribution grid was determined in various network models (rural, small and urban) with the calculated power demand. In this thesis, the developed methodology was used on the example of Austria in 2030. However, as mentioned above, the developed methodology has general validity and is therefore applicable to other countries and periods.Based on Austrian mobility patterns as well as fleet and ambient temperature data, an additional electrical energy requirement for BEV of 3.2% and 2.3 TWh (with a stock of 11% BEV cars and 7.2% BEV LNF) is expected in Austria by 2030. The peak power demand due to the charging processes is 742 MW, which corresponds to 7.6% of the current Austrian peak power demand. The examination of the local grid models for a rural, small and large-city distribution grid shows that by 2030 no inadmissible exceedances in voltage limits as well as transformer and line utilization occur. Around 770,000 charging stations will be required by 2030, resulting in set-up costs of € 4.6 billion, which corresponds to € 7,500 per vehicle.