„Urcharge“ macht E-Mobilität zukunftsfit

Das Forschungsprojekt „Urcharge“ klärt grundlegende Fragen zur Mobilität der Zukunft. Basis dafür ist die innovative LINZ AG-Ladelösung „WallBOX CitySolution“. Dieses Projekt wird aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Programms „Zero Emission Mobility“ durchgeführt.

Selbst die Einschränkungen aufgrund des Coronavirus konnten dieses wichtige E-mobile Projekt nicht stoppen. Der Ausbau der umweltfreundlichen E-Mobilität stellt auf dem Weg hin zu mehr Nachhaltigkeit einen entscheidenden Faktor dar: Will Österreich seine Klimaziele bis 2030 erreichen, so muss etwa bis dahin ein E-Auto-Anteil von rund 27 Prozent unter allen angemeldeten Pkw erreicht werden. Doch welche Infrastruktur ist beispielweise in Linz nötig, um dieses Ziel erreichen zu können? Wird das Stromnetz dieser Mehrbelastung standhalten? Laden tatsächlich alle gleichzeitig? Und wie kann der Leistungsbedarf optimiert werden?

Diese grundlegenden Fragen werden im Forschungsprojekt „Urcharge“, also „Urbanes Laden“, das von der Technischen Universität Wien geleitet wird und von der LINZ AG initiiert wurde, geklärt. Gemeinsam mit dem Hersteller für E-Mobilitäts-Ladelösungen KEBA AG, ETA (Beratung zum Thema Umweltmanagement) sowie der Linzer Wohnungsgenossenschaft NEUE HEIMAT OÖ werden Forschung, Entwicklung und Tests zur Optimierung von Ladeinfrastruktur im großen Wohnbau durchgeführt.

Das Projekt mit einer 2,5-jährigen Laufzeit von 1. Februar 2019 bis 1. Juni 2021 besticht mit seiner Ganzheitlichkeit und beinhaltet folgende Arbeitspakete:

Das Projektmanagement der TU Wien ist verantwortlich für die gemeinsame Definition des Gesamtkonzepts, die Förderantragsstellung und das Monitoring des Projektfortschritts. Während der gesamten Laufzeit wird der Projektfortschritt kontinuierlich zur zeitgerechten Realisierung der Projektziele überwacht. Dazu gehören auch die Koordination der Arbeitspakete und Schnittstellen sowie das Risikomanagement und die Kommunikation mit der Fördergeberin FFG. Die Partner haben intern einen detaillierten Projekt- und Arbeitsplan, der an den Zeitplan der übergeordneten Ziele angepasst ist.

Die Kernphase des „Urcharge“-Projekts konnte erfolgreich abgeschlossen werden. Die aus den Erkenntnissen der Demophase abgeleiteten technischen Entwicklungen sind kurz vor der Fertigstellung, die Umfragen unter den Teilnehmenden abgeschlossen und die Forschungsarbeit ist publiziert. Die Ergebnisse aus diesen unterschiedlichen Perspektiven werden nun zusammengetragen und interpretiert, um die Verbreitung zu ermöglichen und allgemeingültige Schlussfolgerungen zu ziehen.

Die Forschungsarbeit der TU Wien analysiert in einem Optimierungsmodell Fragestellungen zur Veränderung der Stromnachfrage in Gebäuden durch den wachsenden Anteil an E-Autos und zeigt Herausforderungen auf. Es werden Lösungsansätze betrachtet, die die Stromnachfrage der E-Autos verschiebt, um eine Ausweitung der Lastspitzen zu vermeiden. Daraus werden ökonomische sowie ökologische Folgen bewertet.

In diesem Modell, einem Abbild der Realität, herrschen vereinfachte Rahmenbedingungen, unter denen aber zukunftsweisende, allgemeingültige Erkenntnisse generiert werden können. Zudem lässt ein Modell zu, weiter zu blicken als im realisierbaren Feldtest. Es wird beispielsweise eine Verbreitung der E-Mobilität von bis zu 100 Prozent betrachtet, während in der Demophase 50 % umgesetzt werden konnten. Außerdem geht aus dem Modellumfeld der Vorteil voller Information über den kommenden Ladebedarf der E-Autos hervor. Bei jährlicher im Vergleich zu täglicher Information über den Ladebedarf kann die Auslegung/Dimensionierung der Ladeleistung im Modell mehr als halbiert werden.

Die Forschungsarbeit zeigt zum einen, dass modellierte Fahr- und Ladeprofile mit Informationen aus nationalen Mobilitätserhebungen die Realität in der Demophase gut abbilden. Zudem kann effizientes privates Lastmanagement im Modell eine Erhöhung der bestehenden Haushaltslastspitzen vermeiden, durch eine Verschiebung der Ladevorgänge in die Nacht.

Im Detail:

Die Basis für die Berechnungen im Simulationsmodell bilden Ergebnisse aus einer Mobilitätserhebung des BMK 2013/2014: „Österreich unterwegs“. Die per Auto zurückgelegten Wegstrecken, Wegzwecke, Start und Endzeitpunkte etc. werden herangezogen, um im Modell verschiedene „Fahrtypen“ abzubilden. Dies resultiert in einer Verteilung der Fahrten über den Tag und ergibt die Verfügbarkeit der E-Autos an ihrer Ladestation mit ihrem Ladebedarf.

Das Modell erfüllt diesen Ladebedarf dann unter voller Information der jährlichen Nutzerdaten und innerhalb der Rahmenbedingungen für das Lastmanagement und verteilt die Ladeleistung dementsprechend als zentrales Lastmanagement über alle Autos.

Wir analysieren folgende Szenarien:

  1. Unkontrolliertes Laden bei Ankunft an der Station
  2. Lastverschiebung: Laden abseits der bestehenden Haushaltslastspitzen
  3. Verteilung zur Bereitstellung der minimal notwendigen Gesamt-Ladeleistung

Eine Lastverschiebung abseits der Haushaltslastspitzen in die Nacht kann erfolgreich umgesetzt werden, da das private Laden von langen Parkzeiten über Nacht geprägt ist. So wird eine Erhöhung der Spitzen in der Stromnachfrage durch E-Mobilität vermieden (siehe Abbildung 2).

Abbildung zum unkontrollierter Ladestrombedarf bei 10%, 50% und 100% Verbreitung der E-Mobilität mit der Haushaltslast (grau).

Abbildung 1 Unkontrollierter Ladestrombedarf bei 10%, 50% und 100% Verbreitung der E-Mobilität mit der Haushaltslast (grau)

Abbildung zur Lastverschiebung in die Nacht bei 10%, 50% und 100% Verbreitung der E-Mobilität mit der Haushaltslast (grau)

Abbildung 2 Lastverschiebung in die Nacht bei 10%, 50% und 100% Verbreitung der E-Mobilität mit der Haushaltslast (grau)

Da eine Betrachtung unter voller Information nicht der Realität entspricht, wird die notwendige Gesamt-Ladeleistung auch unter täglichen Informationen berechnet. Durch diese Einschränkung der Information steigt die notwendige Ladeleistung von 440 W auf 1.300 W je E-Auto. Dies ist zum einen mit Kosten verbunden, zum anderen führt eine Ausreizung dieser Ladeleistung bei 1.300 W zu eklatant höheren Spitzen im Vergleich zu 440 W.

Informationen über das Nutzerverhalten und den kommenden Verbrauch sind also ökonomisch sehr wertvoll und erhöhen die Effizienz des Lastmanagements.

Die wissenschaftlichen Publikationen zur Modellierung der Ladeprofile aus Mobilitätserhebungen und den Lastmanagement-Ansätzen sind in der Zeitschrift „Energies“ zu finden.

Der Projektpartner KEBA hat bereits ab Februar 2019 die Basis für eine Erweiterung seiner Wallbox mit der Lastmanagement-Software gelegt. Die neue Technologie ermöglicht das Lastmanagement über alle Ladestationen in einer großen Wohnanlage. Damit sollen, für bis zu 100 % E-Mobilität, die Lastspitzen durch E-Mobilität minimiert und ein möglichst netzdienlicher Ladeprozess garantiert werden. Die Entwicklungen betreffen auch entsprechendes Management der Datenmengen, erweiterte Funktionen zur Abrechnung und die Identifikation der Nutzer/innen an der Ladestation des eigenen Parkplatzes.

Im Detail:

Bereits im Februar 2019, bevor das „Urcharge“-Konsortium seine gemeinsame Arbeit begonnen hat, hat die KEBA AG begonnen, den Lastmanagement-Algorithmus auf die anstehenden Erweiterungen vorzubereiten. Die bisher statische Lastverteilung über bis zu 16 Ladestationen soll künftig hochskalierbar sein auf eine effiziente, netzdienliche und gleichzeitig komfortable Koordination der Ladevorgänge von über 100 Wallboxen. Dies legt den technischen Grundstein für eine netzschonende Verbreitung der E-Mobilität von bis zu 30 % im Jahr 2030 und langfristig bis zu 100% im urbanen Gebiet und großen Wohnbauten.

Im Master-Slave-Netzwerk kann das Laden mit einem intelligentem Lastmanagement realisiert werden.

Wie in der Abbildung gezeigt, verteilt die Masterstation die Ladeleistung auf die einzelnen Wallboxen an den privaten Parkplätzen und kann so die Auswirkungen auf das Stromnetz minimieren und eine effiziente, kostengünstige Auslegung der Ladekapazität ermöglichen.

Abbildung 3 Im Master-Slave-Netzwerk kann das Laden mit einem intelligentem Lastmanagement realisiert werden.

Der Prototyp der Masterstation mit den erweiterten Lastmanagement-Funktionalitäten wurde in der Demophase auf Herz und Nieren getestet und auch weiteres Entwicklungspotenzial erkannt. Bisher blockierte ein 1-phasiges Fahrzeug alle drei Phasen und somit wertvolle Leistungsreserven für die steigende Nachfrage in den kommenden Jahrzehnten. Hier wurde ein phasengenauer Lastmanagement-Algorithmus entwickelt, welcher eine effizientere und netzschonendere Auslegung der Ladeinfrastruktur und somit langfristig Kosteneinsparungen ermöglicht.

Wie unter Punkt 4 beschrieben, zeigte die Demophase das Potenzial effizienten und intelligenten Lastmanagements auf, in dem die gesamte Ladeleistung durch die Verteilung der Ladevorgänge über die Nacht hinweg sehr gering gehalten werden konnte mit zeitweise unter 1 kW je Fahrzeug (siehe Abbildung 4 und 5). Mit Hilfe der intelligenten Algorithmen und des zentralen Lastmanagements wird das Laden von über 100 Fahrzeugen auf engstem Raum möglich, ohne eine Netzüberlastung und folglich einen Netzausbau aufgrund der E-Mobilität herbeizuführen.

Ladevorgänge bei einer gesamten Ladeleistung von 35 kW (1,3 kW/E-Auto)

Abbildung 4 Ladevorgänge bei einer gesamten Ladeleistung von 35 kW (1,3 kW/E-Auto)

Ladevorgänge bei einer reduzierten Ladeleistung auf 25 kW (0,9 kW/E-Auto)

Abbildung 5 Ladevorgänge bei einer reduzierten Ladeleistung auf 25 kW (0,9 kW/E-Auto)

Im Rahmen einer fünfmonatigen Pilotphase von Juni bis Oktober 2020 wurde die Ladeinfrastruktur von Bewohner/innen eines großen Wohnbaus der Wohnungsgenossenschaft NEUE HEIMAT OÖ in Linz mit 51 Elektro-Autos getestet. Dies entspricht in dieser Wohnanlage bereits einem E-Auto-Anteil von etwa 50 %. Für die Bewohner/innen war dies eine spannende Erfahrung: Sie tauschten für diesen Zeitraum ihr Verbrenner-Auto gegen einen vollelektrisch betriebenen Pkw ein, der unter günstigen Konditionen vom Autohaus Sonnleitner zur Verfügung gestellt wurde. Dabei handelte es sich um einen der größten und längsten Elektromobilitätsfeldtests in Österreich. Dieser sollte grundlegende Fragen zu benötigter Infrastruktur und Ladeverhalten klären, um die E-Mobilität als entscheidenden Umweltschutz-Faktor im städtischen Bereich auch für dicht besiedelte Gebiete alltagsfit zu machen. Auch im regulatorischen Bereich wurde ein Fortschritt geschafft, der E-Autos bezüglich der baulichen Anforderungen in Garagen konventionellen Autos gleichstellt.

Die infrastrukturelle Basis für das Demonstrationsprojekt stellte die „WallBOX CitySolution“ dar. „Diese intelligente Ladelösung ist speziell für den großvolumigen Wohnbau gedacht. Wohnbauträger können damit ihre Neubauten und meist auch ihre bestehenden Objekte E-mobilitätsfit machen. Mit dieser Demophase wollten wir die derzeitigen Möglichkeiten ausreizen und unsere Komplettlösung weiterentwickeln“, sagt Gerald Mayrhofer vom E-Mobilitätsteam der LINZ AG.

Eine spannende Randbedingung war, dass die Teilnehmenden bisher keineswegs E-Mobilisten oder Pioniere waren, sondern oft noch keine Berührung mit dieser Technologie hatten. Somit war kritisches Feedback zu erwarten und die Anforderungen für eine Akzeptanz konnten bestens gesammelt werden.

Im Detail:

Ziel der Demophase war es, die Ladeinfrastruktur mit dem Lastmanagementalgorithmus unter realen Bedingungen zu testen und weiteren Aufschluss über das Ladeverhalten der Nutzer/innen zu bekommen.

Folgende zentrale Fragen werden durch die Demophase beantwortet:

  • Kann die Effizienz des Lademanagements weiter verbessert werden?
  • Wie hoch muss die verfügbare Leistung für das Laden sein, um 50 % E-Mobilität im Feldtest abzudecken?
  • Ist das Ladeverhalten wie vorab erwartet oder ergeben sich daraus neue Herausforderungen?
  • Wie oft werden die E-Autos geladen? Je konsequenter und länger sie angesteckt werden, desto mehr Spielraum bleibt dem Lastmanagement für eine Verteilung der Ladeleistung.
  • Wie verhalten sich die 3- und 1-phasigen Fahrzeug? Kann der Ladevorgang jeweils verbessert werden?
  • Merken es die Nutzer/innen, wenn der Ladevorgang über viele Stunden verteilt wird und sind ihre Autos morgens ausreichend geladen?

Diese Erkenntnisse können auch mit der Methode und den Ergebnissen aus dem Modell unter Punkt 2 verglichen werden. Hier besteht ein Austausch zwischen der sehr effizienten Auslegung im Modell aufgrund der „Laborbedingungen“ mit voller Information und den Möglichkeiten, die die Realität bietet.

Beispielsweise könnte eine App helfen, dass Nutzer/innen ihre künftigen Fahrtstrecken oder einen gewünschten Zeitpunkt, zu dem das Auto geladen sein soll, bekanntgeben können. Dies würde nicht nur für ein effizienteres Lastmanagement, sondern auch für höheren Komfort durch eine garantiert ausreichend geladene Batterie sorgen.

Auch die Kundenperspektive wird vor, während und nach der Demophase genau beleuchtet (siehe Punkt 5.). Die Einstellung der Teilnehmenden gegenüber der E-Mobilität im Zeitverlauf, der Komfort des Ladens und der Reichweite, die Zufriedenheit mit dem Laden am eigenen Parkplatz, Verbesserungswünsche für das Laden der Zukunft und vieles mehr können so genau erörtert werden.

Die Kundenperspektive ist für die Weiterentwicklung und folglich die Akzeptanz und Verbreitung neuer Technologien essenziell. Die Kundenanforderungen für das private Laden von E-Autos wurden anhand gezielter Umfragen und Workshops im Verlauf des Projekts vor, während und nach dem Feldtest ermittelt und rechtliche Fragen und mögliche Hemmnisse beleuchtet. Die Informationen daraus bieten wichtige Erkenntnisse zur Einstellung gegenüber der E-Mobilität und den ausschlaggebenden Kriterien, wie z. B. Reichweite, Verfügbarkeit von Ladestationen, Anforderungen an die technischen Funktionalitäten, Ladekomfort und -geschwindigkeit etc.

Umfrage
Beschreibung
 
Erstumfrage
Vor dem Start der Demophase um das bisherige Mobilitätsverhalten,
die Einstellung zu E-Mobilität und Ladeinfrastruktur vor der eigenen
Erfahrung im Feldtest zu erfragen
März 2020
Zwischenumfrage
Während der Demophase zum Fahrverhalten und den ersten Erfahrungen
mit der Ladeinfrastruktur und dem E-Auto.
August 2020
Fokusgruppen-Interviews
Freiwillige Teilnehmer/innen wurden zu einem Workshop eingeladen,
in dem die Anforderungen an Ladeinfrastruktur und Design im Detail diskutiert werden.
Oktober 2020
Endumfrage
Erörterung der Veränderungen in der Einstellung zur E-Mobilität,
Erfahrungen mit Ladeinfrastruktur und Lastmanagement,
Bewertung der Alltagstauglichkeit und weiteren Anforderungen
Dezember 2020

Erkenntnisse:

49 % der Teilnehmenden haben 1 und 44 % 2 Autos. 2/3 nutzen das Auto täglich.

Erstumfrage:

73 % der Teilnehmenden sind noch nie zuvor mit einem E-Auto gefahren und 19 % sind bereits Probe gefahren. 39 % sehen das tolle Angebot zum Testen im Projekt als Teilnahmegrund, 27 % sind skeptisch gegenüber der E-Mobilität und wollen sich ein eigenes Bild dazu machen, während sich 28 % schon lange für E-Autos interessieren und sich 3 % bald eines anschaffen wollen.

Zwischenumfrage:

15 % nutzen das E-Auto anders als das konventionelle, 34 % etwas anders (Langstrecken mit Benziner stehen dem Autofahren ohne schlechtem Gewissen gegenüber). 49 % haben auch mal das eigene Auto benutzt aufgrund der Reichweite, dem Stauraum oder der fehlenden Anhängerkupplung bei den frei zur Verfügung gestellten Testmodellen. Auch durch die Corona-Krise hat sich das Fahrverhalten bei 24 % verändert und bei weiteren 24 % etwas (hier stehen weniger Wege durch Homeoffice der Vermeidung öffentlicher Verkehrsmittel gegenüber). Im Großen und Ganzen entsprechen die Fahrtwege im Feldtest allerdings dem österreichischen Durchschnitt. 44 % luden nur, wenn der Akku fast leer ist und 10 % immer, wenn sie parken.

Öffentliche Ladestationen wurden selten bis sehr selten verwendet (84 %).

Fokusgruppen-Interview:

Mit 6 Teilnehmenden wurde ein Workshop zu den bisherigen Erfahrungen, dem Ladekomfort und technischem Design und dem Kundenservice durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen eine hohe Zufriedenheit mit dem Lastmanagement, das fast nie im Batterieladestand bemerkt wurde. Die Teilnehmenden akzeptieren das zeitlich optimierte Laden über Nacht unter dem Aspekt der Akku-Schonung und des Gesamtnutzens zur Vermeidung der Netzüberlastung. Sie könnten sich vorstellen, zu einem etwas höheren Tarif auch Schnelllademöglichkeiten in der Garage zu haben und auch Informationen über ihre nächste Fahrt und den Ladebedarf über eine App bekanntzugeben.

Endumfrage:

80 % gaben in der Umfrage an, nie etwas vom Lastmanagement und einer somit längeren Ladedauer bemerkt zu haben. 72 % wären bereit, über eine App Informationen bereitzustellen die die Lastmanagement-Effizienz steigern durch ein genaueres Erfüllen des Mindestakkustands vor der nächsten Fahrt. Die Akkureichweite war für 50 % ausreichend.

In dieser Phase werden die Ergebnisse aller Arbeitspakete gesammelt und dokumentiert, um entsprechende Schlussfolgerungen zu ziehen. Bereits im Projektverlauf wurden vorläufige Ergebnisse präsentiert und Berichte veröffentlicht. Die Erkenntnisse sollen das Geschäftsmodell für die Ladeinfrastruktur der Zukunft formen und eine Basis für weitere Umsetzungsprojekte bieten. Zudem wird eine Lücke in der Forschung zu Ladeinfrastruktur im großen Wohnbau geschlossen.

„Urcharge“ leistet damit einen wichtigen Beitrag zur Verbreitung der E-Mobilität am Markt und zur Reduktion von CO2-Emissionen im Verkehr.

TU Wien, Jasmine Ramsebner MSc, wissenschaftliche Mitarbeiterin und Projektmanagerin:

„Als Projektleiter und Forschungspartner schätzen wir das ‚Urcharge‘-Projekt aufgrund seiner Ganzheitlichkeit, die im Bereich der Ladeinfrastruktur für den großen Wohnbau im urbanen Gebiet einzigartig ist. Eine Demonstrationsphase von fast einem halben Jahr mit 51 Teilnehmern ist außerordentlich wertvoll bezüglich des realen Ladeverhaltens und für die Verifizierung unserer Forschungsergebnisse im Modell. Diese Erkenntnisse fließen in ein Konzept zum privaten, urbanen Laden, um Komfort, Leistbarkeit und dadurch Akzeptanz der E-Mobilität voranzutreiben und Zero Emission Mobility im Individualverkehr zu erreichen“.

LINZ AG, DI Erich Haider, MBA, Generaldirektor:

„Die LINZ AG bietet bereits sehr erfolgreich Ladelösungen und -produkte für die Bedarfe im öffentlichen Raum, im mehrgeschossigen Wohnbau, für zuhause und für Unternehmen an. Wir sind froh, dass wir mit dem Demonstrationsprojekt entscheidende Erkenntnisse zur Alltagstauglichkeit der E-Mobilität gewinnen und einen wichtigen Beitrag hin zu mehr Nachhaltigkeit im Straßenverkehr leisten können. Die LINZ AG unterstreicht damit wie auch mit ihrer modernen Busflotte und dem innovativen Mobilitätsangebot ‚tim‘ einmal mehr ihr Engagement hinsichtlich emissionsfreier Antriebe“.

KEBA AG, Ing. Mag. Gerhard Luftensteiner, Vorstandsvorsitzender:

„Ladestationen müssen vor allem eines sein: komfortabel für den Nutzer, zuverlässig und sicher. Geht es um große Wohnanlagen, wo typischerweise mehrere E-Autos gleichzeitig geladen werden, kommt eine intelligente Lastmanagementlösung zum Einsatz. Sie verteilt die Ladeleistung optimal, sodass die Elektroautos bei gleichzeitig geringer Netz- und Kostenbelastung entsprechend verfügbar sind. Unsere Stromladestation lädt also nicht nur, sondern sie ist eine hochintelligente Kommunikations- und Steuerungszentrale zwischen den Elektroautos und dem dahinterliegenden Stromnetz. KEBA nimmt mit dieser Lösung abermals eine Pionierrolle ein und leistet damit einen wichtigen Beitrag zum Durchbruch der Elektromobilität“.

NEUE HEIMAT OÖ, Dir. Mag. Robert Oberleitner, Geschäftsführer:

„Das Projekt ‚Urcharge‘ gibt uns die Gelegenheit, einen wesentlichen Beitrag zur Klimawende zu leisten und aktiv daran mitzuarbeiten, die gemeinnützigen Wohnbauträger hinsichtlich dem Bereich E-Mobilität zukunftsfit zu machen. Im Zuge des Projekts werden wir Erfahrung sammeln, die uns dabei hilft, die Anforderungen unserer Kundinnen und Kunden in der Zukunft zu erfüllen und eine gewohnt hohe Wohnqualität bieten zu können.“

ETA Umweltmanagement GmbH, Manfred Mühlberger, Geschäftsführer:

„Wir befassen uns mit einer detaillierten Analyse der Kundenperspektive durch die Konzeption und Auswertung von Umfragen und Workshops.“

Autohaus Sonnleitner, Max und Mag. Wolfgang Sonnleitner, Geschäftsführer:

„Ein Projekt wie dieses ist für uns die perfekte Umgebung, um die Alltagstauglichkeit unserer Elektrofahrzeuge Renault Zoe und Nissan Leaf unter Beweis zu stellen. Es bietet die Möglichkeit, unterschiedliche Anwendungsfälle in vergleichbarer Umgebung über einen längeren Zeitraum zu vergleichen. All das auch noch vor der Haustüre machen zu können ist einfach ideal. Wir freuen uns, dabei sein zu können.“

War diese Seite hilfreich?