Wissenschaftliche Unterstützung bei der Erstellung von fahrzeugbezogenen Analysen zur

318 Pages·2014·6.69 MB·German

FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR WINDENERGIE UND ENERGIESYSTEMTECHNIK, IWES
WISSENSCHAFTLICHE UNTERSTÜTZUNG
BEI DER ERSTELLUNG VON
FAHRZEUGBEZOGENEN ANALYSEN ZUR
NETZINTEGRATION VON
ELEKTROFAHRZEUGEN UNTER NUTZUNG
ERNEUERBARER ENERGIEN
Endbericht zum Vorhaben FKZ UM 11 96 107

Endbericht zum Vorhaben FKZ UM 11 96 107
Autoren
Manuel Wickert (IWES), Norman Gerhard (IWES), Tobias Trost (IWES), Johannes Prior (IWES), Andrej Cacilo (IKEM),
Matthias Hartwig (IKEM), Alexander Reinhardt (IKEM), Heike Münzing (IKEM)
Prof. Dr. Clemens Hoffmann
Das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik, IWES
in Kassel und Bremerhaven.
Projektnummer: FKZ UM 11 96 107
Projektpartner/Unterauftragnehmer: Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V. (IKEM)
Inhalt
1
Einleitung ......................................................................................................................... 13
2
Methodische Vorgehensweise zur Bewertung und Weiterentwicklung der
Geschäftsmodelle ........................................................................................................... 16
2.1
Simulationsmodelle ................................................................................................................. 18
2.1.1
Simulation der Erzeugungs- und Preiszeitreihen ...................................................................... 17
2.1.2
Simulation der Elektrofahrzeuge .............................................................................................. 20
3
Stakeholderdialoge und Expertenworkshop................................................................. 21
4
Auswirkungen der Netzintegration von Elektrofahrzeugen auf die
Netzinfrastruktur ............................................................................................................. 24
4.1
Studie 1: Gesteuertes Laden V2.0 ............................................................................................. 24
4.1.1
Methodik und Prämissen .......................................................................................................... 24
4.1.2
Welche Auswirkungen hat das ungesteuerte/gesteuerte Laden von Elektrofahrzeugen auf
die Belastung und Grenzwerteinhaltung der Netzbetriebsmittel? ............................................. 25
4.1.3
Welche Auswirkungen hat die Netzintegration von Elektrofahrzeugen auf den
Netzausbaubedarf in Deutschland unter Berücksichtigung des gesteuerten Ladens? ............... 28
4.1.4
Welche Auswirkungen durch ungesteuertes/gesteuertes Laden sind hinsichtlich der
optimierten Nutzung erneuerbarer Energien zu erwarten? ....................................................... 29
4.2
Studie 2: Einbindung von Zuhausekraftwerken in Smart Grids ................................................. 29
4.2.1
Welche Auswirkungen hat die Netzintegration von Elektrofahrzeugen auf den
Netzausbaubedarf in Deutschland unter Berücksichtigung des gesteuerten Ladens? ............... 29
4.3
Studie 3: Net-Elan .................................................................................................................... 30
4.3.1
Methodik und Prämissen .......................................................................................................... 30
4.3.2
Welche Auswirkungen hat das ungesteuerte/gesteuerte Laden von Elektrofahrzeugen auf
die Belastung und Grenzwerteinhaltung der Netzbetriebsmittel? / Welche Auswirkungen
durch ungesteuertes/gesteuertes Laden sind hinsichtlich der optimierten Nutzung
erneuerbarer Energien zu erwarten? ......................................................................................... 31
4.4
Studie 4: E-Aix Netzstudie (Verteilnetz).................................................................................... 35
4.4.1
Methodik und Prämissen .......................................................................................................... 35
4 | 318 Fraunhofer IWES Endbericht
4.4.2
Welche Auswirkungen hat das ungesteuerte/gesteuerte Laden von Elektrofahrzeugen auf
die Belastung und Grenzwerteinhaltung der Netzbetriebsmittel? ............................................ 35
4.4.3
Welche Auswirkungen hat die Netzintegration von Elektrofahrzeugen auf den
Netzausbaubedarf in Deutschland unter Berücksichtigung des gesteuerten Ladens? ............... 39
4.5
Studie 5: Auswirkungen der Elektromobilität auf die Auslastung von Stromnetzen an
einem Schweizer Fallbeispiel (Hochspannungsnetz) ................................................................ 40
4.5.1
Methodik und Prämissen ......................................................................................................... 40
4.5.2
Welche Auswirkungen hat das ungesteuerte/gesteuerte Laden von Elektrofahrzeugen auf
die Belastung und Grenzwerteinhaltung der Netzbetriebsmittel? ............................................ 41
4.5.3
Welche Auswirkungen hat die Netzintegration von Elektrofahrzeugen auf den
Netzausbaubedarf in Deutschland unter Berücksichtigung des gesteuerten Ladens? ............... 43
4.6
Synopse: Die Rückwirkung des Be- und Entladens von Elektrofahrzeugen auf das
öffentliche Stromnetz .............................................................................................................. 44
4.7
Die Untersuchung von Netzrückwirkungen von Elektrofahrzeugen im weiteren Verlauf
dieses Projektes und der Bezug zu aktuellen Forschungsprojekten .......................................... 44
5
Technische Betrachtung ................................................................................................. 46
5.1
Ladeinfrastruktur ..................................................................................................................... 46
5.1.1
Überblick ................................................................................................................................. 46
5.1.2
Konduktives Wechselstromladen ............................................................................................. 48
5.1.3
DC-Schnellladestationen: ........................................................................................................ 49
5.1.4
Induktives Laden ...................................................................................................................... 50
5.1.5
Stand der Forschung im Bereich Messinfrastruktur und Zähler ................................................. 52
5.2
Stand der Forschung im Bereich Batterietechnologien ............................................................. 53
5.2.1
Lithium-Ionen-Batterie: Ist-Stand und Optimierungsmöglichkeiten ......................................... 53
5.2.2
Leistungsfähigkeit alternativer elektrischer Energiespeicher- und
Energiewandlertechniken ........................................................................................................ 54
5.2.3
Batteriekosten ......................................................................................................................... 57
5.2.4
Die Referenz Consumer Cells ................................................................................................... 61
5.2.5
Gründe für Kostensenkungen ................................................................................................... 63
5.2.6
Entwicklungsperspektiven bis 2030 .......................................................................................... 64
5.2.7
Batteriealterung und Zyklenfestigkeit ...................................................................................... 71
Fraunhofer IWES Endbericht 5 | 318
5.2.8
Stand der Forschung im Bereich Batteriemanagementsysteme ............................................... 75
5.3
Stand der Forschung im Bereich Netzumrichter ....................................................................... 76
6
Energiewirtschaftliche Determinanten der Netzintegration von
Elektrofahrzeugen ........................................................................................................... 81
6.1
Integration von erneuerbaren Energien und Elektromobilität ................................................... 81
6.2
Zusammensetzung des Strompreises für Endkunden ............................................................... 81
6.3
Analyse der Strompreisentwicklung am Großmarkt (zeitlich) ................................................... 82
6.4
Energiewirtschaftliche Determinanten der Energiespeicherung ............................................... 84
6.4.1
Techniken zur Stromspeicherung ............................................................................................. 86
6.4.2
Einflussfaktoren für den Speichereinsatz .................................................................................. 87
6.4.3
Entwicklung von Speicherbedarf und Preisen für Energiespeicherung ...................................... 88
6.4.4
Potenziale ................................................................................................................................ 91
6.4.5
Kostenvergleich ....................................................................................................................... 93
6.4.6
Fazit zu den Speichertechnologien ........................................................................................... 95
6.5
Regelenergiemarkt ................................................................................................................... 96
6.5.1
Regelleistung: Funktion, Regeln und Bedingungen ................................................................... 96
6.5.2
Rechtliche, technische und organisatorische Vorgaben ............................................................ 97
6.5.3
Marktvolumen und Preisentwicklung an den Regelenergiemärkten ......................................... 105
7
Nutzerverhalten ............................................................................................................... 108
7.1
Relevante Erkenntnisse aus der allgemeinen Mobilitätsforschung ............................................ 108
7.2
Akzeptanz von Elektrofahrzeugen und Elektromobilität ........................................................... 114
7.3
Übertragung der Erkenntnisse der allgemeinen Mobilitätsforschung auf die Nutzung von
Elektrofahrzeugen und Befunde aus den Pilotversuchen der Elektromobilität .......................... 123
7.3.1
Schlussfolgerungen für die benötigte Reichweite von Elektrofahrzeugen ................................. 130
7.3.2
Schlussfolgerungen zur Relevanz des öffentlichen Ladens ....................................................... 132
7.3.3
LadeInfrastruktur und elektrischer Fahranteil ........................................................................... 135
7.4
Nutzerverhalten und Nutzerakzeptanz im Bereich »Gesteuertes Laden« ................................. 136
6 | 318 Fraunhofer IWES Endbericht
7.5
Nutzerverhalten und Nutzerakzeptanz in gewerblichen Flotten ............................................... 143
7.6
Zielgruppendifferenzierung ..................................................................................................... 149
8
Rechtliche Rahmenbedingungen der Netzintegration von Elektrofahrzeugen ......... 154
8.1
Netzintegration von Elektrofahrzeugen unter Nutzung erneuerbarer Energien in
juristischen Publikationen i. e. S. .............................................................................................. 154
8.2
Überblick über die rechtlichen Rahmenbedingungen für Elektromobilität ................................ 156
8.2.1
Energiewirtschaftsrechtlicher Rahmen .................................................................................... 157
8.2.1.1
Vertragsbeziehungen beim Strombezug über einen privaten Anschluss ................................... 158
8.2.1.2
Netzanschlussvertrag ............................................................................................................... 158
8.2.1.3
Anschlussnutzungsverhältnis ................................................................................................... 159
8.2.1.4
Netznutzungsvertrag bzw. Lieferantenrahmenvertrag ............................................................ 159
8.2.1.5
Bilanzkreisvertrag .................................................................................................................... 160
8.2.1.6
Stromliefervertrag und Grundversorgung ................................................................................ 160
8.2.1.7
Privater Anschluss auf fremden Grund ..................................................................................... 162
8.2.1.8
Vertragsbeziehungen bei Rückspeisung ................................................................................... 172
8.2.1.9
Exkurs – Vertragsbeziehungen beim Laden an öffentlichen Ladestationen .............................. 173
8.2.1.10
Exkurs: Parken zur Teilnahme an Rückspeisung, am Regelenergiemarkt und am
gesteuerten Laden an öffentlichen Ladestation ....................................................................... 173
8.2.2
Steuerrechtliche Rahmenbedingungen, Strafzahlungen und Netzentgelte .............................. 175
8.2.2.1
Energie- und Stromsteuer ........................................................................................................ 175
8.2.2.2
Kraftfahrzeugsteuer ................................................................................................................. 176
8.2.2.3
Verordnung zur Verminderung der CO2-Emission von Personenkraftwagen ............................ 176
8.2.2.4
Das Recht der erneuerbaren Energien ...................................................................................... 176
9
Szenarien ......................................................................................................................... 181
1 0
Das Geschäftsmodell »Teilnahme am Regelenergiemarkt« ......................................... 185
10.1
Beschreibung des Geschäftsmodells ........................................................................................ 185
10.2
Technische Determinanten der Teilnahme am Regelenergiemarkt .......................................... 187
Fraunhofer IWES Endbericht 7 | 318
10.3
Energiewirtschaftliche Determinanten der Teilnahme am Regelenergiemarkt ......................... 188
10.4
Nutzerseitige Determinanten der Teilnahme am Regelenergiemarkt ....................................... 189
10.5
Rechtliche Rahmenbedingungen der Teilnahme am Regelenergiemarkt .................................. 190
10.5.1
Angreifbarkeit der Präqualifikationsbedingungen .................................................................... 190
10.5.2
Anpassung des Rechtsrahmens ................................................................................................ 191
10.5.3
Konkretisierung der 100-prozentigen Verfügbarkeit ................................................................. 192
10.5.4
Kontrastierung der Präqualifikation jeder »Technischen Einheit« ............................................. 193
10.6
Einzelwirtschaftliche Bewertung der Teilnahme am Regelenergiemarkt .................................. 193
10.7
Volkswirtschaftliche Bewertung der Teilnahme am Regelenergiemarkt ................................... 200
10.8
Zusammenfassung ................................................................................................................... 201
1 1
Das Geschäftsmodell V2G .............................................................................................. 203
11.1
Beschreibung des Geschäftsmodells ........................................................................................ 203
11.2
Technische Determinanten von V2G ........................................................................................ 204
11.2.1
Energiewirtschaftliche Determinanten von V2G ....................................................................... 205
11.3
Nutzerseitige Determinanten von V2G ..................................................................................... 207
11.4
Rechtliche Rahmenbedingungen von V2G ................................................................................ 207
11.4.1
Netzanschluss und Anschlussnutzung ...................................................................................... 208
11.4.1.1
Kostentragung ......................................................................................................................... 209
11.4.1.2
Verhältnis des Hausanschlussvertrags zum Rückspeisungsanschlussvertrag ............................ 211
11.4.2
Netznutzung ............................................................................................................................ 211
11.4.3
Abnahme des rückgespeisten Stroms ....................................................................................... 212
11.4.4
Strom aus erneuerbaren Energien ............................................................................................ 215
11.4.5
Netzintegration des rückgespeisten Stroms ............................................................................. 215
11.4.6
Keine Befreiung von den Netzentgelten ................................................................................... 216
11.4.7
Befreiung von der Stromsteuer bei Einspeisung ....................................................................... 218
11.4.8
Konzessionsabgabe .................................................................................................................. 219
11.4.9
Umsatzsteuer bei Stromentnahme zur Speicherung ................................................................ 220
8 | 318 Fraunhofer IWES Endbericht
11.4.10
EEG-Umlagen-Befreiung für Energiespeicher .......................................................................... 221
11.4.11
Fazit und zusammengefasster Regelungsvorschlag ................................................................. 222
11.5
Einzelwirtschaftliche Bewertung von V2G ................................................................................ 223
11.6
Volkswirtschaftliche Bewertung von V2G ................................................................................. 231
11.7
Zusammenfassung ................................................................................................................... 232
1 2
Das Geschäftsmodell »Gesteuertes Laden von Grünstrom« Beschreibung und
Bewertung des Geschäftsmodells ................................................................................. 234
12.1
Beschreibung und Bewertung des Geschäftsmodells ............................................................... 234
12.1.1
Beschreibung des Geschäftsmodells ........................................................................................ 234
12.1.2
Technische Determinanten des gesteuerten Ladens mit Grünstrom ........................................ 236
12.1.3
Energiewirtschaftliche Determinanten des gesteuerten Ladens mit Grünstrom ....................... 236
12.1.4
Nutzerseitige Determinanten des gesteuerten Ladens mit Grünstrom ..................................... 236
12.1.5
Rechtliche Rahmenbedingungen des gesteuerten Ladens mit Grünstrom ................................ 237
12.1.5.1
Überblick ................................................................................................................................. 237
12.1.5.2
Stromkennzeichnungspflicht ................................................................................................... 238
12.1.5.3
Herkunftsnachweise ................................................................................................................ 239
12.1.5.4
Abläufe im Herkunftsnachweisregister..................................................................................... 239
12.1.5.5
Virtuelle« Ausweisung nach Zahlung der Grünstromumlage durch den Lieferanten ................. 240
12.1.5.6
Auffangtatbestand – Ausweisung des ENTSO-E Mixes ............................................................ 241
12.1.5.7
Direktvermarktung mit Grünstromprivileg ............................................................................... 241
12.1.5.8
Exkurs: Wettbewerbsrechtliche und Zivilrechtliche Dimension der Stromkennzeichnung –
Durchsetzbare Kennzeichnungspflicht ..................................................................................... 242
12.1.5.9
Fazit ......................................................................................................................................... 243
12.1.6
Einzelwirtschaftliche Bewertung des gesteuerten Ladens mit Grünstrom ................................ 244
12.1.7
Volkswirtschaftliche Bewertung des gesteuerten Ladens mit Grünstrom ................................. 247
12.1.8
Zusammenfassung ................................................................................................................... 248
1 3
Das Geschäftsmodell »Spotmarktorientiertes Laden« ................................................. 250
Fraunhofer IWES Endbericht 9 | 318
13.1
Beschreibung und Bewertung des Geschäftsmodells ................................................................ 250
13.1.1
Beschreibung des Geschäftsmodells ........................................................................................ 250
13.1.2
Technische Determinanten des spotmarktorientierten Ladens ................................................ 251
13.2
Energiewirtschaftliche Determinanten des spotmarktorientierten Ladens ............................... 253
13.2.1
Price-Spread-Entwicklung ........................................................................................................ 253
13.2.2
Demand Side Management Alternativen und deren Einfluss auf die Preisschwankungen am
Spot-Markt ............................................................................................................................... 254
13.3
Nutzerseitige Determinanten des spotmarktorientierten Ladens ............................................. 256
13.4
Rechtliche Rahmenbedingungen des spotmarktorientierten Ladens ........................................ 259
13.4.1
Unterscheidung variabler Tarifmodelle..................................................................................... 259
13.4.2
Gesetzliche Grundlage variabler Tarife, § 40 Abs. 5 EnWG ........................................................ 261
13.4.3
Hürden bei der Einführung last- und zeitvariabler Tarife ........................................................... 262
13.4.3.1
Informationsbeschaffung für die Tarifgestaltung: Messung ...................................................... 263
13.4.3.2
Variable Tarife und Standardlastprofile .................................................................................... 265
13.4.3.3
Exkurs – Variable Tarife an (halb)öffentlichen Ladesäulen ........................................................ 266
13.4.4
Grobbewertung des spotmarktorientierten Ladens .................................................................. 268
13.4.5
Detailbewertung des spotmarktorientierten Ladens ................................................................ 270
13.4.6
Ergebnisse anderer Studien ...................................................................................................... 273
13.5
Volkswirtschaftliche Bewertung des Geschäftsmodells ............................................................ 274
13.5.1
Nutzung von erneuerbaren Energien ........................................................................................ 274
13.5.2
Volkswirtschaftliche Implikation ohne Betrachtung des Netzes ................................................ 275
13.5.3
Betrachtung des Netzbetreibers ............................................................................................... 275
13.6
Weiterentwicklung des Geschäftsmodells ................................................................................ 277
13.6.1
Einbindung des Netzbetreibers durch leistungsbezogene Netzentgelte ................................... 277
13.6.2
Einbindung des Netzbetreibers durch direkte Steuerungsmöglichkeiten .................................. 278
13.6.3
Einbindung des Netzbetreibers durch lastvariable Tarife .......................................................... 279
13.6.4
Neue Standardlastprofile ......................................................................................................... 281
13.7
Zusammenfassung ................................................................................................................... 282
10 | 318 Fraunhofer IWES Endbericht