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Smarte Software unterstützt Wandel zu E-Mobilität

13.02.2019 - Künstliche Intelligenz, Energie, Verkehr

©pixelklex-StockAdobe.com

Mobilität spielt eine entscheidende Rolle für den wirtschaftlichen Wohlstand. Gleichzeitig gilt es, Mobilität nachhaltig zu gestalten. Während rein elektrisch betriebene Fahrzeuge bislang noch als Exoten im Straßenverkehr galten, zeichnet sich inzwischen ein deutlicher Trend in Richtung E-Mobilität ab. Im Zuge der E-Mobilität kommt der Sektorkopplung zwischen Ladeinfrastruktur und elektrischen Netzen immer mehr Bedeutung zu.

Nach Diesel-Gate und zahlreichen Schlagzeilen zur globalen Erwärmung erfolgt ein intensives Umdenken hin zu emissionsfreien Antrieben und zur regenerativen Energieerzeugung. Städte und Gemeinden erhalten staatliche Fördergelder in Millionenhöhe, um im Rahmen von Forschungs- und Entwicklungsprojekten die notwendigen Technologien für die Integration von Elektromobilität in die Verteilnetze voranzutreiben.

Parallel dazu werden städtische Betriebsflotten und Fuhrparks elektrifiziert und öffentliche sowie private Ladeinfrastrukturen ausgebaut. Das Ziel „Grüne Städte“ in Deutschland ist somit gesetzt.

Neue Herausforderungen durch Netzintegration der E-Mobilität

Neben einer notwendigen Verbesserung der Batterietechnik und der Vereinheitlichung von Kommunikationsstandards, stehen Netzbetreiber vor einer weiteren großen Herausforderung. Millionen von Elektrofahrzeugen mit zugehöriger Ladeinfrastruktur müssen in Zukunft in der Netzplanung berücksichtigt werden.

Dieser erhöhte Energiebedarf wird somit in die Verteilnetze integriert. Durch die Einspeisungen erneuerbarer Energien kann es hier unter anderem zu Schwankungen in den Verteilnetzen kommen. Hinzu kommt noch die wachsende Anzahl von Wärmepumpen und Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK), die ebenfalls berücksichtigt werden müssen.

Im Zuge der E-Mobilität gewinnt die Sektorkopplung zwischen Ladeinfrastruktur und elektrischen Netzen immer mehr an Bedeutung.

Mit der steigenden Anzahl an Elektrofahrzeugen und einer zu erwartenden Gleichzeitigkeit von Ladevorgängen und wachsender Leistung bei der Schnellladung wird die Leistungsfähigkeit der Verteilnetze schnell an ihre Grenzen stoßen. Ohne entsprechende Gegenmaßnahmen wären perspektivisch lokale und in der Folge auch überregionale Blackouts möglich.

Da der Ausbau der Verteilnetze in struktureller und aufwandstechnischer Hinsicht schwierig ist, müssen intelligente Lösungen entwickelt, getestet und umgesetzt werden.

Softwarelösungen unterstützen E-Mobilität

Mit der Entwicklung intelligenter, schnittstellenübergreifender hard- und softwaretechnischer Lösungen für Last- und Lademanagement sowie hierarchisch-dezentralem Netzmanagement unterstützt PSI bereits heute genau diesen Mobilitätswandel. Gemeinsam mit Entwicklungspartnern und Kunden werden umfassende Lösungskonzepte in unterschiedlichen Infrastrukturbereichen entwickelt, im Realbetrieb eingesetzt und in sinnvollen Schritten kontinuierlich weiterentwickelt. 

Durch gezielte Bündelung des Know-hows in den Bereichen Netzleittechnik, Netzwerktechnologie und öffentlichem Personennahverkehr wird ein optimaler Kundennutzen erzielt. Neben kundenspezifischen Lösungen entstehen dabei modulare Standardlösungen, die sich durch eine hohe Skalierbarkeit, Betriebssicherheit und Zukunftsfähigkeit auszeichnen.

Die Anforderungen an Netzbetreiber steigen

Der Ausbau der Elektromobilität findet im ÖPNV, der Warenwirtschaft sowie großen Betriebsflotten und Betriebshöfen auf unterschiedlichen Netzspannungsebenen statt und erfordert jeweils angepasste Lösungskonzepte.

Betriebshof-Management-Systeme mit überwiegend dieselbetriebenen Fahrzeugen müssen zukünftig auf emissionsfreien Elektrobetrieb umgestellt werden. Im Vergleich zum konventionellen Tankvorgang benötigt beispielsweise ein Ladevorgang ein Vielfaches der Zeit. 

Insbesondere die Klimatisierung, aber auch Streckenprofil und Beladung der Fahrzeuge, wirken sich viel gravierender auf den Energieverbrauch aus, als das bei  mit fossilem Treibstoff betriebenen Fahrzeugen der Fall ist. Demzufolge sind zuverlässige Verbrauchsprognosen und eine umfassende Überwachung der Flotte unerlässlich.

Kommunikation des Smart Power-/Smart Load-Moduls über verschiedene Protokolle mit Fahrzeugen und Ladesäulen, die mit dem Stromnetz verbunden sind. Damit wird die Ladeinfrastruktur überwacht und gesteuert. Bild: PSI
Kommunikation des Smart Power-/Smart Load-Moduls über verschiedene Protokolle mit Fahrzeugen
und Ladesäulen, die mit dem Stromnetz verbunden sind. Damit wird die Ladeinfrastruktur überwacht
und gesteuert. Bild: PSI

Ein stabiler Netzzustand ist das A und O

Aus netztechnischer Sicht führt eine größere Anzahl an gleichzeitig zu ladenden Fahrzeugen im Depot schnell zu einer Überlastung von Transformatoren oder gar  ganzen Umspannwerken. Hier kommen auf einem mittelgroßen Betriebshof durchaus Verbrauchswerte im zweistelligen Megawatt-Bereich zustande. Der Anschluss erfolgt in der Mittel- oder Hochspannungsebene.

Das PSI-Leitsystem-Modul Smart Power/Smart Load überwacht permanent das Stromnetz. Bei drohender Überlast werden einzelne Verbraucher heruntergeregelt, um einen stabilen Netzzustand sicherzustellen. Smart Power steht dabei in ständigem bi-direktionalen Austausch mit der Ladeinfrastruktur und den Fahrzeugen sowie mit dem Betriebshof-Management-System.

Dem Leitsystem werden dabei betriebliche Prioritäten für den Ladevorgang der einzelnen Fahrzeuge kommuniziert, um einen optimal funktionierenden Einsatzplan mit stets ausreichend geladenen Fahrzeugen zu gewährleisten. PSI bietet die dafür erforderliche Kommunikationstechnik mit entsprechenden Hardware-Komponenten und Protokoll-Konvertern an. Zukünftig gesehen ist ein enger Austausch mit den vorgelagerten Verteilnetzbetreibern sinnvoll, um Primär- und Sekundärregelleistungen zur Verfügung zu stellen und günstige Stromtarife gezielt zu nutzen. Daraus ergeben sich enorme Kostenvorteile für den beteiligten Flottenbetreiber.

Gemeinsam mit der Hamburger Hochbahn AG als Vorreiter im ÖPNV-Segment implementiert PSI aktuell ein Last- und Lademanagement-System für Bus-Betriebshöfe für einen sicheren und optimierten Ladebetrieb.

Intelligentes Lastmanagement für Niederspannung

Auf den vom öffentlichen Sektor strikt abgeschotteten Betriebshöfen treten regelmäßig sehr hohe Leistungen konzentriert auf. Im öffentlichen Bereich hingegen, wie z. B. für kleinere Unternehmensflotten und Parkplätze, entstehen verstärkt Infrastrukturen für kleine bis mittlere Ladeleistungen an Niederspannungsanschlüssen.

Bereits wenige gleichzeitig ladende Fahrzeuge können zu einer Überlast in einem Niederspannungsfeld führen, daher müssen diese hinsichtlich der lokal beschränkten Netzkapazität überwacht und geregelt werden. Hierfür ist eine entsprechende Kommunikation mit den Fahrzeugen sowie ein lokales, intelligentes Lastmanagement in den Ortsnetzstationen erforderlich. An dieser Stelle kommt das hierarchisch-dezentrale Netzmanagement der PSI zum Einsatz, das sich bereits seit 2015 in mehreren Modellprojekten bewährt hat.

Ladesäulen- und Fahrzeugkommunikation mit der Smart Telecontrol Unit. Bild: PSI
Ladesäulen- und Fahrzeugkommunikation mit der Smart Telecontrol Unit. Bild: PSI

Die lokalen Komponenten mit abgesetzten Leitsystem-Funktionen stehen dabei in ständigem Austausch mit dem zentralen Netzleitsystem beim Netzbetreiber, wobei nur wesentliche Summenwerte und Meldungen übertragen werden. Die operative Ausregelung des Niederspannungsnetzes erfolgt autark in den Ortsnetzstationen vor Ort.

Ladeleistungen und Ladezeitfenster können unter Berücksichtigung des aktuellen Netzzustandes und der Kundenpräferenzen individuell angepasst werden. Lokale Einspeisungen erneuerbarer Energien sowie vorhandene Batteriespeicher werden zur dezentralen Energieerzeugung eingebunden und erhöhen die Flexibilität seitens der Nutzer.

Privates Laden als größte Herausforderung

Über fünfzig Prozent aller Ladevorgänge von Elektroautos finden in privaten Haushalten statt. Die aktuell größte Herausforderung für  Netzbetreiber besteht darin, eine zuverlässige Übersicht zu erhalten, wo wieviel Ladeleistung installiert ist. Dafür müssen einheitliche Regelungen für eine Anmeldepflicht von Lade-Anschlüssen eingeführt werden. Ebenso muss flächendeckend eine zuverlässige Technologie zur bi-direktionalen Kommunikation zwischen Haushalten und Netzbetreibern entwickelt werden. 

Ziel ist es, die privaten Haushalte unter Berücksichtigung von Kundenpräferenzen netzdienlich in die bestehenden Verteilnetze zu integrieren. Dies erfordert eine intelligente Kommunikations-, Steuerungs- und Messtechnik sowie Standards zur Interoperabilität zwischen den Herstellern und Netzbetreibern.

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Gute Aussichten auf eine vernetzte mobile Zukunft

Für alle genannten Bereiche müssen sichere und intelligente Systeme entwickelt werden. PSI bietet durch das langjährige Know-how insbesondere in den Bereichen intelligente Stromnetzführung und Optimierung des Betriebshofmanagements mit den ergänzenden Modulen Last- und Lademanagement die Grundlage für richtungsweisende Schritte in eine vernetzte mobile und emissionsfreie Zukunft.

Ihr Ansprechpartner zum Thema Lastmanagement

Andreas Gorks

Divisonsleiter Stadtwerke
PSI Software AG, Geschäftsbereich Elektrische Energie

Ihr Ansprechpartner zum Thema Lademanagement

Eric Nöh

Leiter Vertrieb ÖPNV
PSI Transcom GmbH