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FlyGrid - Flywheel Energy Storage for EV Fast Charging and Grid Integration

FlyGrid - Flywheel Energy Storage for EV Fast Charging and Grid Integration
Nrg-031 2019 Armin Buchroithner

Ziele/Ideen

Der Umstieg auf eine emissionsfreie Elektromobilität kann nur dann erfolgreich sein, wenn der Ausbau der Ladeinfrastruktur und erneuerbaren Energieversorgung in gleichem Maße durchgeführt wird. Hinkt der Ausbau der Infrastruktur dem rasanten Anstieg der EV-verkaufszahlen hinterher, so ist dies laut Internationaler Energieagentur and größte Gefährdung für den Siegeszug der Elektrofahrzeuge anzusehen.

Eine starke Durchdringung der Elektromobilität ist aber in zweierlei Hinsicht herausfordernd:

1. Das Elektrizitätsnetz wird durch die erforderliche Ladeleistung teilweise extrem belastet, was zu Instabilitäten und im schlimmsten Fall zu Blackouts führen kann.
2. Um den Energiebedarf der Elektromobilität zu decken bedarf es eines massiven Ausbaus erneuerbarer Quellen, welche durch ihre Volatilität Zwischenspeicher auf unterschiedlichen Ebenen erfordern.

Ein wichtiger Aspekt, der der weiteren nochmals herausgestrichen werde muss ist die Tatsache, dass es sich um eine in Europa herstellbare Technologie handelt. Dies betrifft nicht nur eine innovative, vollautomatische Lade-Schnittstelle zum Fahrzeug (Matrix-Charging), sondern vor allem das Kernelement Schwungradspeicher. Während die Elektromobilität einerseits die Unabhängigkeit von Ölimporten verspricht werden andererseits Abhängigkeiten vom asiatischen Batteriemarkt und von Rohstoffen wie Lithium etc. geschaffen. Der Schwungradspeicher als „mechanische Batterie“ kann zur Gänze in Österreich hergestellt werden und diese wirtschaftspolitischen Abhängigkeiten in gewissem Maße reduzieren.

Kurzbeschreibung

Im Projekt FlyGrid wird ein hochleistungsfähiger Schwungrad-Energiespeicher in eine innovative, vollautomatische EV-Ladestation integriert. Dadurch können selbst bei Anschluss in einem konventionellen Niederspannungs-Verteilernetz hohe Ladeleistungen (100 - 500 kW) bei gleichzeitiger Netzglättung erreicht werden. Das System sieht vor, lokale volatile Quellen – wie z.B. PV-Module auf einem Carport – zu integrieren und trägt somit zu einer Erhöhung des Anteils an erneuerbarer Energie bei. Überlegene Zyklenlebensdauer des Energiespeichers, die Möglichkeit, hohe Leistungen in das Netz rückzuspeisen, sowie einfache Transportierbarkeit (z.B. als mobile „Schnelladebox“ für elektrifizierte Baumaschinen) sind weitere Charakteristika des FlyGrid-Konzeptes. Daraus ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, welche nicht nur für Fahrzeugflotten und den öffentlichen Nahverkehr, sondern auch für Netzbetreiber von hoher Relevanz sind.

Resultate

Bisher wurde im Projekt FlyGrid das erste von vier Forschungsjahren absolviert. Das bedeutet, dass konkrete Ergebnisse der ersten beiden Arbeitspakete vorliegen, nämlich:

1. Use-Case Analysis and Load Profile Definition
2. Virtual Grid Integration and global System Optimization

Es wurden also sämtliche Nutzergruppen der Mobilität analysiert und evaluiert in welchen Fällen das FlyGrid-System optimal eingesetzt werden kann. Auf Basis dieser Analyse wurden einsatzspezifische Zieleigenschaften für den Energiespeicher (erforderliche Leistung, Energieinhalt etc.) abgeleitet. Diese Speicher wurden im nächsten Schritt in ein virtuelles Netzmodell (NEPLAN) integriert und es wurde gezeigt, dass in vielen Fällen nicht nur kurzfristige lokale Überlastungen des Verteilernetzes, sondern oftmals auch ein kostspieliger Netzausbau zur Gänze vermieden werden kann. Diese Simulationen wurden für unterschiedliche Durchdringungsraten der Elektromobilität und der Renewable Energy Sources (RES) durchgeführt und unterstreichen, dass eine Netzentlastung durch das FlyGrid-System besonders bei Ausbau von Wind und PV an Bedeutung gewinnt.
Eine Abschätzung der potentiellen CO2 Reduktion durch eine Einführung des FlyGrid-Konzeptes wurde ebenfalls durchgeführt, wobei hier drei wesentliche Aspekte ins Gewicht fallen.

1. Eine mittels FlyGrid verbesserte Ladeinfrastruktur führt zu mehr Kundenzufriedenheit und einer größeren Durchdringung der Elektromobilität im Allgemeinen.

2. Die Möglichkeit das Elektrizitätsnetz aktiv durch Schwungradspeicher zu stützen muss als „spinning reserve“ angesehen werden verringert/verhindert das spontane hochfahren von Gas- (oder anderen kalorischen) Kraftwerken.

3. Die FlyGrid Ladestationen verfügen über hocheffiziente PV-Flächen, was bedeutet, dass ein flächendeckendes FlyGrid-Ladenetz eine signifikante Erhöhung des Solarstromanteils (ohne zusätzliche Netzbelastung) bewirkt.

Diese drei Maßnahmen wurden für Szenarien in Österreich bis 2030 und in Anlehnung an Untersuchungen der Internationalen Energieagentur (IEA), sowie des bmvit quantifiziert, wobei das Einsparungspotential jährlich mehr als 660.000 Tonnen CO2 beträgt.

Einreicher

Technische Universität Graz
Herr Dipl. Ing. Dr.-techn. Armin Buchroithner
Inffeldgasse 23 2, 8010 Graz
armin.buchroithner@tugraz.at
0316-87-30514

https://www.tugraz.at/institute/emt/home/

Partner

Technische Universität Graz: Konsortialführung

THIEN eDrives: Jutta Kinder

easelink : Hermann Stockinger

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