Gleichzeitigkeit von Ladevorgängen bei zukünftigen Durchdringungen von Elektrofahrzeugen und hohen Ladeleistungen

Abstract

Die langfristige Entwicklung der Energiebranche setzt unter Berücksichtigung von wirtschaftlichen und ökologischen Aspekten die effiziente Energienutzung neben der Verringerung der Umweltbelastung, sowie Senkung der Abhängigkeit von fossilen Treibstoffen durch eine hohe Integration von erneuerbaren Energiequellen und Elektrofahrzeugen voraus. Laut der Informationen vom „Statistischen Jahrbuch 2017“ der Statistik Austria1 steigt die Anzahl rein elektrisch betriebener Fahrzeuge an Neuzulassungen kontinuierlich. Der Fortschritt im Bereich der Batteriekapazitäten verursacht für schnellere Ladevorgänge - vorzugsweise dreiphasige - die entsprechend hohen Ladeleistungen und steht somit als eine große Herausforderung für die Netzbetreiber. Darüber hinaus wird die Problematik der Zusatzbelastungen der Niederspannungsverteilnetze durch leistungsfähige Ladevorgänge besonders aktuell. Da die einzelnen Energieverbraucher nicht zum gleichen Zeitpunkt mit ihrer Maximalleistung betrieben werden, empfiehlt es sich für eine objektive Auswertung der Netzauswirkungen den Begriff von Gleichzeitigkeitsfaktoren der Ladevorgänge einzuführen. In der vorliegenden Arbeit wird auf die Frage eingegangen, wie sich die Netzbelastungen durch stärkere Ladeleistungen entwickeln und auf welche Weise die Gleichzeitigkeitsfaktoren diesen Prozess beeinflussen. Zu diesem Zweck wird basierend auf den Daten des Forschungsprojekt „e-Pendler in Niederösterreich“2 mit Hilfe der Software MATLAB ein Programm entworfen, mit dem die Ladekennlinien von Lithium-Ionen Batterien abgebildet werden können, sowie das Gesamtleistungsprofil für einen gewählten Betrachtungszeitraum aus stochastisch generierten Ladeprofilen erstellt werden kann. Das erlaubt, zu jedem Zeitpunkt die wahrscheinliche Spitzenlast in einem definierten Netzpunkt zu bestimmen und dadurch die Gleichzeitigkeitsfaktoren der Ladevorgänge zu ermitteln. Für die Auswertung der Gleichzeitigkeitsfaktoren sind die verschiedenen Parametervariationen, sowie eine Sensitivitätsanalyse vorgesehen. Unter Berücksichtigung der charakteristischen Eigenschaften werden die Verläufe der Gleichzeitigkeitskurven grafisch dargestellt, welche für die nachfolgenden Netzberechnungen eingesetzt werden. Als nächstes werden die Lastflussberechnungen für ein hypothetisches Verteilnetz im Programm NEPLAN, sowie eigene Berechnungen für Kombinationen von drei Szenarien der 7,4 kW, 11 kW und 22 kW Anschlussleistung mit der Einführung, bzw. Vernachlässigung der Gleichzeitigkeitsfaktoren durchgeführt. Die Ergebnisse werden ebenfalls mit dem Referenzszenario „ohne Elektrofahrzeuge“ verglichen. Die Programmsimulationen zeigen, dass sich die Einführung der Gleichzeitigkeitsfaktoren durch die Verringerung der Summenleistung positiv auf die Netzbelastung auswirkt und die Ladevorgänge mit höheren Leistungen bis 22 kW im privaten Bereich realisiert werden können.

The long-term development of the energy sector requires the efficient use of energy besides the reduction of environmental pollution, as well as the reduction of the dependency on fossil fuels through a high integration of renewable energy sources and electric vehicles taking into account economic and ecological aspects. According to the information from the Statistical Yearbook 2017 of Statistic Austria, the number of purely electrically operated vehicles is constantly increasing according to the number of new registrations. The advancement in the area of battery capacities causes the corresponding charging capacities for faster charging processes - preferably three-phase current - and is thus a great challenge to network operators. In addition, the problem of the additional loads of the low-voltage distribution networks is particularly up-to-date due to efficient charging processes. Since the individual energy consumers are not operated at the same time with their maximum power, it is recommended to introduce the concept of simultaneity factors for the charging processes to get an objective evaluation of the network related effects. In this thesis, the question is linked with the question of how the grid loads are developing through higher charging capacities and how the simultaneity factors influence this process. On behalf of this fact and based on the data of the research project "e-Pendler in Niederösterreich", a program is developed with the aid of the software MATLAB, which can be used to map the charging characteristics of lithium-ion batteries, as well as the total performance profile for a selected observation period from stochastically generated charging profiles to be created. This allows the most probable peak load in a defined network point to be determined at any time and thereby to determine the simultaneity factors of the charging processes. The various parameter variations as well as the sensitivity analysis are provided for the evaluation of the simultaneity factors. Taking into account the characteristic properties, the curves of the simultaneity curves are graphically displayed, which are used for the subsequent network calculations. Next, the load flow calculations for a hypothetical distribution network with the NEPLAN program as well as own calculations for combinations of three scenarios of the 7,4 kW, 11 kW and 22 kW connection performances, are carried out with both the introduction and also neglecting of the simultaneity factors. The achieved results are also compared with the reference scenario "without electric vehicles". The program simulations show that the introduction of the simultaneity factors has a positive effect on the network load with the result of reducing the total power requirement and therefore the charging processes with higher power up to 22 kW in the private sector can realized.