Smart-Grid-Plattformarchitekturen für den Anwendungsbereich E-Mobility

Abstract

Im Zuge der Energie- und Mobilitätswende stellt sich immer wieder die Frage, wie Ladestationen für Elektrofahrzeuge in das Stromnetz integriert werden sollen. In Anbetracht der steigenden Anzahl von Elektrofahrzeugen ist durch deren Ladevorgänge mit teilweise hohen Belastungen für das Stromnetz zu rechnen. Eine Möglichkeit diesen Belastungen entgegenzutreten, liegt in der Digitalisierung des Stromnetzes und der Integration von Ladevorgängen in dessen Betrieb mit sogenannten Grid Services. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die grundlegenden Architekturen für die Koordinierung der Ladevorgänge von Elektrofahrzeugen sowie die daraus resultierenden Möglichkeiten zur Reduzierung der Belastungen auf das Stromnetz zu bestimmen. Des Weiteren werden in dieser Arbeit die Vor- und Nachteile der einzelnen Architekturen sowie deren Unterschiede zueinander erörtert. Dafür wurde zuerst eine systematische Literaturrecherche durchgeführt, mit deren Hilfe die in der Literatur beschriebenen Architekturen sowie die jeweils realisierbaren Grid-Services identifiziert wurden. Dabei handelt es sich um eine zentralisierte, zwei dezentralisierte und eine hierarchische Architektur. Anschließend wurden diese anhand von vorher definierten Kriterien bewertet und miteinander verglichen. Zudem wurde berücksichtigt, welche Architekturen sowie welche Grid-Services bereits im Rahmen eines Pilotprojektes realisiert und somit ersten Praxistests unterzogen wurden. Die Recherche und der anschließende Vergleich der unterschiedlichen Architekturen haben ergeben, dass die Vorteile der zentralisierten gegenüber den beiden dezentralisierten und der hierarchischen Architektur überwiegen. Sie ist aufgrund der einfacheren Realisierbarkeit bei der gleichen Anzahl an realisierbaren Grid-Services gegenüber der hierarchischen Architektur im Vorteil. Die beiden dezentralisierten weisen hingegen wesentliche Nachteile gegenüber den anderen Architekturen auf. Auch wurde der Großteil der im Rahmen dieser Arbeit gefundenen Pilotprojekte als zentralisierte Architekturen realisiert. Diese wurden erfolgreich für die Demand-Response, aber auch für die primäre Frequenzregelung eingesetzt.

In the context of energy and mobility transition, the question of how charging stations for electric vehicles should be integrated into the power grid arises again and again. In view of the increasing number of electric vehicles, their charging processes are expected to place high loads on the power grid. One possibility to counteract these loads is the digitalization of the power grid and the integration of the charging processes into its operation with so-called grid services. The aim of this thesis is to determine the basic architectures for the coordination of charging processes of electric vehicles as well as the resulting possibilities to reduce the loads on the power grid. Furthermore,this thesis discusses the advantages and disadvantages of each architecture as well as the differences between them. Therefore, a systematic literature research was conducted in order to identify the architectures described in the literature as well as the grid services that can be implemented in each case. These are one centralized, two decentralized and one hierarchical architecture. These were then evaluated and compared with each other on the basis of previously defined criteria. In addition, it was taken into account which architectures and which grid services had already been implemented as part of a pilot project and had therefore been subjected to initial practical tests. The research and subsequent comparison of the different architectures revealed that the advantages of the centralized architecture outweigh those of the two decentralized and the hierarchical architectures. It has an advantage over the hierarchical architecture due to its simpler realizability with the same number of realizable grid services. The two decentralized ones, on the other hand, have significant disadvantages compared to the other architectures. Also, the majority of the pilot projects found in the course of this thesis were implemented as centralized architectures. These were successfully used for demand response, but also for primary frequency control.