D3 – Micro Smart Grid EUREF (Twinlab)

Wie könnte der Verkehr der Zukunft aussehen? Oder konkreter: Wie können verschiedene Verkehrsträger miteinander vernetzt und umweltfreundlich mit Strom versorgt werden? Und welche neuen Strategien, Technologien und Prozesse werden dafür benötigt?

Dies erprobte das RLI am EUREF-Campus in Berlin-Schöneberg. Der Campus ist ein Modell-Stadtquartier auf dem nachhaltiges Wohnen, Arbeiten und Mobilität auf einem abgeschlossenen Areal miteinander verknüpft wurden. Im Rahmen des Förderprogramms „Schaufenster Elektromobilität“ der Bundesregierung installierte das RLI hier ein Micro Smart Grid (MSG) und baute es zu einem Forschungs- und Erprobungsnetz aus. Dabei wurden unterschiedliche Energiequellen und Verbraucher sowie Speicher intelligent miteinander verknüpft. Das Netzmanagement gewährleistete den ökonomischen und ökologischen Betrieb des MSGs und reduzierte im Einklang mit den regenerativen Erzeugern den Bezug von Strom aus dem öffentlichen Netz Schritt für Schritt. Der Fokus des RLI lag in diesem Projekt neben der Integration verschiedener erneuerbarer Energiequellen insbesondere auf der Einbeziehung der Elektromobilität und ihrem Speicherpotenzial für das MSG via gesteuertem, bidirektionalem Laden.

Konkret wurden auf dem Schöneberger Gasometer, der sich auf dem Gelände befindet, zwei Kleinwindenergieanlagen in 80 m Höhe angebracht, weitere vier auf Gebäuden, außerdem wurden vier Photovoltaikanlagen installiert. Weiterhin gehört ein Blockheizkraftwerk und drei Speichersysteme zum MSG sowie die mit 36 Ladepunkten größte Stromtankstelle Deutschlands. Das MSG steuert innerhalb dieser Anlage die Verteilung und Speicherung des Wind- und Solarstroms.

Ziel des Projekts war es, ein dezentrales Energiesystem auf Basis von Erneuerbaren Energien für die elektrische Versorgung von Elektromobilität auf dem Campus optimal auszulegen und zu betreiben. Für die Auslegung sollte ein Simulationsmodell zur Abbildung des gesamten Microgrids entwickelt und dieses mit Messdaten der einzelnen Komponenten validiert werden. Abschließend wurden Auslegung und Betrieb hinsichtlich technischer, ökonomischer und ökologischer Kriterien bewertet.

Projektzeitraum 01.03.2013 - 30.06.2016

Fotos

Das RLI übernahm im Forschungsprojekt folgende Aufgaben:

• Wissenschaftliche Leitung
  • Optimierte Auslegung von Micro Smart Grids hinsichtlich Topologie und Betriebsführung
  • Bewertung des Systems nach ökologischen und ökonomischen Kriterien
  • Untersuchung der Netzaufnahmekapazität
  • Potenzialanalyse einer thermischen Fahrzeugvorkonditionierung zur Reichweitenerhöhung



• Umsetzung von
  • Kleinwindenergieanlagen
  • Messsystemen



• Auswertung
  • der Ladesäulennutzung
  • des Energieertrags der Erneuerbare-Energie-Anlagen im innerstädtischen Gebiet
  • der Genehmigungsprozesse für die Installation von Erneuerbare-Energie-Anlagen und Messsystemen an Sonderbauten unter Denkmalschutz

Nach Abschluss des Forschungsprojekts lassen sich aus RLI-Sicht folgende Ergebnisse festhalten:

• Ergebnis 1: Der erneuerbare Strom in einem Microgrid reduziert erheblich die Treibhausgasemissionen des Gesamtsystems und erreicht sogar Kostenparität, wenn Topologie und Betriebsführung für den Anwendungsfall optimiert werden. Photovoltaik-Batterie-Systeme stellen dabei die kostengünstigste Lösung für Microgrids zur Versorgung von batterieelektrischen Fahrzeugen dar. Die weithin sichtbaren Kleinwindenergieanlagen erhöhen die öffentliche Wahrnehmung erheblich, spielen was ihren Ertrag betrifft jedoch kaum eine Rolle. Sie kommen aufgrund ihrer hohen Kosten und Lebenszyklusemissionen nur für Vollautarkie und netzferne Regionen infrage.
• Ergebnis 2: Ohne Lastmanagement der Ladeinfrastruktur ist eine hundertprozentige Kopplung von Erneuerbarer-Energie-Erzeugung und Ladebedarf weder ökonomisch noch ökologisch umsetzbar. Sowohl eine intelligente Betriebsstrategie als auch der Einsatz einer stationären Batterie erhöhen die Netzaufnahmefähigkeit.
• Ergebnis 3: Hauptkostentreiber sowohl auf Energie- als auch auf Mobilitätsseite sind Komponenten zur Energiespeicherung. Aufgrund der stark sinkenden Preise dieser Komponenten ist kurzfristig mit einer deutlichen Verbesserung der Wirtschaftlichkeit zu rechnen.

Weitere Teilergebnisse:

• Durch geeignete Betriebsstrategien, wie etwa dem gesteuerten Laden der Elektrofahrzeuge in Zeiten hoher Einspeisung durch Erneuerbare-Energie-Anlagen, lässt sich eine Überlastung einzelner Anschlusskabel sowie des Transformators vermeiden. Dies wurde durch eine Netzkapazitätsanalyse des MSG am EUREF-Campus bestätigt.
• Die thermische Vorkonditionierung durch Heizen/Kühlen der Fahrgastzelle eines Elektrofahrzeuges während des Ladens, kann zu einer Reichweitenerhöhung im Fahrbetrieb führen. In Abhängigkeit der Umgebungstemperaturen, der verwendeten Heiztechnik (Elektroheizung/Wärmepumpe) und der Vorkonditionierungsdauer konnte für den Winterbetrieb ein Reichweitengewinn von etwa 5-14 km erreicht werden.
  
  

  Kurzbericht des RLI

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  Vollständiger Projektreport mit detaillierten Ergebnissen aller Projektpartner

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Projektpartner:

Das Projekt war eines von rund dreißig Projekten im Förderprogramm „Internationales Schaufenster Elektromobilität Berlin-Brandenburg“ und wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen der Schaufensterinitiative der Bundesregierung gefördert. Die Bundesregierung hatte im April 2012 vier Regionen in Deutschland als „Schaufenster Elektromobilität“ ausgewählt und förderte hier auf Beschluss des Deutschen Bundestags die Forschung und Entwicklung von alternativen Antrieben. Insgesamt stellte der Bund für das Schaufensterprogramm Fördermittel in Höhe von 180 Millionen Euro bereit. In den groß angelegten regionalen Demonstrations- und Pilotvorhaben wurde Elektromobilität an der Schnittstelle von Energiesystem, Fahrzeug und Verkehrssystem erprobt.

Das Internationale Schaufenster Elektromobilität Berlin-Brandenburg wurde von der Bundesregierung sowie den Ländern Berlin und Brandenburg für die Dauer von drei Jahren im Rahmen der Schaufensterinitiative des Bundes gefördert. Die Koordination der Projekte lag bei der Berliner Agentur für Elektromobilität eMO.

Bewilligte Fördersumme: 742.828 €


Die Forschungsarbeit am RLI wird finanziell durch die Reiner Lemoine Stiftung unterstützt.

Evolutionary Multi-Objective Optimization of Micro Grids | A. Wanitschke | Poster

Cost-self-sufficiency-tradeoff in a real-life urban microgrid with electric vehicles | A. Wanitschke et al.

Multi-objective optimization of an autobahn EV charging station supplied by renewable energy | A. Wanitschke et al. | Paper

Populationsbasierte Optimierungsmethoden zur Entscheidungsunterstützung im Energiesystemdesign: Diskussion einiger Ansätze | A. Wanitschke et al. | Paper

An approach for the simulation and control of microgrids under consideration of various energy forms and mass flows | Grüger et al. | Poster

Model-based Quantification of a Microgrid using Key Performance Indicators | F. Möhrke et al. | Poster

Thermal pre-conditioning of electric vehicles for range extension | J. Nerling et al. | Paper