Techno-Ökonomische Gesamtbewertung Heterogener Maßnahmen Zur Verlängerung Der Tagesreichweite Von Batterieelektrischen Fahrzeugen
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Techno-ökonomische Gesamtbewertung heterogener Maßnahmen zur Verlängerung der Tagesreichweite von batterieelektrischen Fahrzeugen Simon Árpád Funke Dissertation an der Universität Kassel Zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.) im Fachbereich 16 Elektrotechnik und Informatik Tag der Disputation: 01.03.2018, Kassel Erstgutachter: Prof. Dr. rer. nat. Ludwig Brabetz Universität Kassel Zweitgutachter: Prof. Dr. rer. pol. Martin Wietschel Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis IV Tabellenverzeichnis VI Abkürzungsverzeichnis VIII Variablenverzeichnis IX Glossar XI 1 Einleitung 1 1.1 Ausgangssituation 1 1.2 Zielsetzung 3 1.3 Vorgehensweise 5 2 Hintergrund: Potentialbewertung von Elektrofahrzeugen 6 2.1 Besondere Eigenschaften von Elektrofahrzeugen 6 2.1.1 Antriebstopologien 6 2.1.2 Ladebedarfe und -optionen von Elektrofahrzeugen 7 2.1.2.1 Ladebedarfe von Elektrofahrzeugen 7 2.1.2.2 Ladeoptionen von Elektrofahrzeugen 8 2.1.3 Fazit: Ableitung von Modellannahmen für Elektrofahrzeuge und ihre Ladeinfrastruktur 8 2.2 Modellanforderungen an eine techno-ökonomische Potentialbewertung von Elektrofahrzeugen 9 2.2.1 Literaturübersicht: Modellierung der Nutzbarkeit von Elektrofahrzeugen 10 2.2.1.1 Bestimmung der Nutzbarkeit von EV mittels streckenbasierter Analysen 11 2.2.1.2 Analysen zur Abschätzung der Verteilung von Tagesfahrleistungen eines Jahres 12 2.2.1.3 Bestimmung der Nutzbarkeit von EV mittels GPS-Fahrdaten 13 2.2.2 Literaturübersicht: Bedarfsbestimmung Ladeinfrastruktur 16 2.2.3 Modellanforderungen 19 3 Techno-ökonomische Modellparameter: Technologien zur Erhöhung der Tagesreichweite von batterieelektrischen Fahrzeugen 21 3.1 Technische Rahmendaten am Markt verfügbarer BEV 21 3.2 Traktionsbatterie 22 3.2.1 Energiedichte 22 3.2.2 Kosten 24 3.3 Weitere fahrzeugseitige Maßnahme: Leichtbautechnologien 25 3.4 Öffentliche Ladeinfrastruktur 27 3.4.1 Empirisches Ladeverhalten an öffentlicher Ladeinfrastruktur 27 3.4.2 Kosten 31 4 Reale Fahrdaten 34 4.1 Bedeutung realer Fahrprofildaten 34 4.2 Die REM 2030 Fahrprofile-Datenbank 35 4.2.1 Datenerhebung und Datenaufbereitung 36 4.2.2 Beschreibung des Datensatzes 38 4.3 Private Fahrdaten 41 4.4 Einordnung der REM 2030 Fahrprofile-Datenbank 42 5 Modellentwicklung: Vergleich von Ladeinfrastrukturverfügbarkeit und Fahrzeugreichweite 46 5.1 Modellübersicht und Begründung Modellierungsansatz 46 5.2 Fahrsimulation: Bestimmung der individuellen Nutzbarkeit und des technischen Potentials von batterieelektrischen Fahrzeugen 50 5.2.1 Modellierung der Längsdynamik 50 5.2.2 Modellierung der Fahrzeugeffizienz 51 5.2.2.1 Batterie 51 5.2.2.2 Getriebe, Leistungselektronik und sonstige Verluste 53 5.2.2.3 Elektromotor 53 5.2.2.4 Fahrzeugspezifikationen 53 5.2.3 Modellierung Verfügbarkeit Ladeinfrastruktur 54 5.2.4 Parametervariationen 55 5.2.5 Bestimmung jährlicher Ladebedarfe 56 5.2.6 Output Modellteil 1: technisches Potential von BEV 58 5.3 Bedarfsbestimmung Ladeinfrastruktur 60 5.3.1 Geographische Mindesterreichbarkeit von Ladeinfrastruktur 61 5.3.1.1 Öffentliche Infrastruktur zum Gelegenheitsladen 61 5.3.1.2 Öffentliche Infrastruktur zum Zwischenladen 62 5.3.2 Zeitliche Mindestverfügbarkeit von Ladeinfrastruktur 64 5.3.2.1 Bestimmung lokaler Ladebedarfe 64 5.3.2.1.1 Gelegenheitsladen 65 5.3.2.1.2 Zwischenladen 65 5.3.2.2 Bedarfsorientierte Dimensionierung von Ladeinfrastruktur: Warteschlangentheorie 66 5.3.2.3 Skalierung einzelner Ladestandorte zur Deckung örtlicher Ladebedarfe 68 5.3.2.3.1 Gelegenheitsladen 69 5.3.2.3.2 Zwischenladen 71 5.3.3 Kombination einer geographischen und zeitlichen Mindestverfügbarkeit von Ladeinfrastruktur 72 5.3.4 Ladebedarfe einer sich dynamisch ändernden Elektrofahrzeugflotte 72 5.4 Vergleich der Gesamtkosten 73 5.4.1 Kostenbestimmung 75 5.4.1.1 Fahrzeugkosten 76 5.4.1.2 Ladeinfrastrukturkosten 77 5.4.2 Techno-ökonomische Modellparameter 78 5.4.2.1 Fahrzeugparameter 79 5.4.2.2 Stromkosten 80 5.4.2.3 Allgemeine Kostenparameter 81 5.5 Zusammenfassung und Diskussion Gesamtmodell 82 5.5.1 Modellteil 1: Technisches Potential von BEV 82 5.5.2 Modellteil 2: Ladeinfrastrukturbedarfsbestimmung 85 5.5.3 Modellteil 3: Kostenvergleich 87 6 Ergebnisse 89 6.1 Nutzbarkeit und technisches Potential von batterieelektrischen Fahrzeugen 89 6.1.1 Gewerbliche Nutzer 90 6.1.2 Private Nutzer 95 6.1.3 Technisches Potential von BEV unter veränderten Rahmenbedingungen 98 6.1.4 Sensitivitäten 99 6.1.5 Exkurs: PHEV und REEV 102 6.1.5.1 Analyse realen Fahrverhaltens von PHEV 103 6.1.5.2 Simulationsergebnisse 105 6.1.6 Zusammenfassung der Ergebnisse 107 6.1.7 Diskussion der Ergebnisse 108 6.2 Ladeinfrastrukturbedarf 110 6.2.1 Durchschnittliche öffentliche Ladebedarfe je Elektrofahrzeug 110 6.2.2 Durch Zwischenladebedarfe bereitzustellende Strecke 111 6.2.3 Maximale Aufnahmekapazität einzelner Ladestationen 113 6.2.4 Ladeinfrastrukturbedarf Zwischenladen 115 6.2.4.1 Gewerbliche Fahrzeuge 115 6.2.4.2 Private Fahrzeuge 116 6.2.4.3 Mischflotten: gewerblich und privat 117 6.2.5 Ladeinfrastrukturbedarf Gelegenheitsladen 118 6.2.6 Ladeinfrastrukturbedarfe unter veränderten Rahmenbedingungen 120 6.2.7 Sensitivitäten 121 6.2.8 Dynamische Entwicklung 123 6.2.9 Zusammenfassung der Ergebnisse 124 6.2.10 Diskussion der Ergebnisse 124 6.3 Kostenbewertung 127 6.3.1 Ökonomische Bewertung Ladeinfrastruktur 127 6.3.1.1 Statische Fahrzeugflotten: Zwischenladen 127 6.3.1.2 Statische Fahrzeugflotten: Gelegenheitsladen 129 6.3.2 Kosten-Potential-Kurven der analysierten Maßnahmen 130 6.3.2.1 Kosten-Potential-Kurven: Investitionen 132 6.3.2.2 Kosten-Potential-Kurven (Gesamtkosten): einheitlicher Maßnahmeneinsatz 135 6.3.2.3 Kosten-Potential-Kurven (Gesamtkosten): kostenoptimaler Maßnahmeneinsatz 137 6.3.2.4 Range-Extender-Elektrofahrzeuge als zusätzliche Option 139 6.3.3 Zusammenfassung der Ergebnisse 140 6.3.4 Diskussion der Ergebnisse 142 7 Zusammenfassung, Schlussfolgerungen und Ausblick 143 7.1 Hintergrund und Zielsetzung 143 7.2 Methodisches Vorgehen 144 7.3 Zusammenfassung der Ergebnisse und inhaltliche Schlussfolgerungen 145 7.4 Methodische Schlussfolgerungen 146 7.5 Kritische Würdigung und Ausblick 147 Annex A – Literaturübersicht Forschungsstand 150 Annex B – Weiterführende Daten 154 Annex C – Weitere Auswertungen 165 Annex D – Marktdaten von Elektrofahrzeugen und ihrer Ladeinfrastruktur 174 Annex E – Weitere Sensitivitätsanalysen 176 Annex F – Matlab© Code Warteschlangensimulation 177 Annex G – Statistische Auswertungen in dieser Arbeit 178 Literaturverzeichnis 182 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1. Energiedichten von Li-Ionen-Batterien in automobilen Anwendungen (BEV). ............................ 23 Abbildung 2. Verteilung empirischer Ladebedarfe an Ladestationen (Level 2) in den USA. ............................. 29 Abbildung 3. Verteilung der Lademengen je Ladeereignis an Schnellladestationen. ...................................... 30 Abbildung 4: Verteilung der Fahrstrecken in der REM 2030 Fahrprofile-Datenbank. ...................................... 39 Abbildung 5. Verteilungsfunktion der Standzeiten (>20 min) in der REM 2030 Fahrprofile-Datenbank. ......... 40 Abbildung 6. Tageszeitliche Verteilung der Parkereignisse in der REM 2030 Fahrprofile-Datenbank. ............ 40 Abbildung 7: Vergleich der Tagesfahrleistungen der REM 2030 Fahrdaten und der KiD 2010 nach Fahrzeuggröße. .............................................................................................................................................. 45 Abbildung 8. Übersicht Gesamtmodell. .......................................................................................................... 47 Abbildung 9. Verteilung der logarithmierten Tagesfahrleistungen der REM 2030 Fahrprofile. ....................... 57 Abbildung 10. Überblick Bestimmung Ladeinfrastrukturbedarf. ..................................................................... 61 Abbildung 11. Geographische Abdeckung einer idealisierten, maximalen Abdeckung je Ladestandort .......... 62 Abbildung 12. Ökonomische Systemgrenzen dieser Arbeit. ............................................................................ 74 Abbildung 13. Verteilung (cdf) individueller elektrischer Fahrzeugreichweiten (gewerblich) in Abhängigkeit der analysierten fahrzeugseitigen Maßnahmen, ohne öffentliche Ladeoptionen. .......................................... 90 Abbildung 14. Potentielle individuelle Tagesreichweiten von gewerblichen Nutzern für unterschiedliche Fahrzeugparameter ohne öffentliche Ladeinfrastruktur (links) und bei unterschiedlicher Ladeinfrastrukturverfügbarkeit für das Referenzfahrzeug (PK1, rechts). ........................................................ 91 Abbildung 15. Anteil vollelektrisch möglicher Beobachtungstage („Nutzbarkeit“) gewerblicher Fahrprofile für unterschiedliche Fahrzeugparameter ohne öffentliche Ladeinfrastruktur (links) und für unterschiedliche Ladeinfrastrukturverfügbarkeit für das Referenzfahrzeug (PK1, rechts). ........................................................ 93 Abbildung 16. Anzahl benötigter Zwischenladestopps gewerblicher Fahrprofile für unterschiedliche Fahrzeugparameter........................................................................................................................................ 93 Abbildung 17. Technisches Potential von Elektrofahrzeugen gewerblicher Fahrprofile für alle untersuchten Parameterkombinationen und unterschiedliche Ladeinfrastrukturverfügbarkeit. .......................................... 94 Abbildung