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Lade- und Routenplanung von elektrischen Frachtfahrzeugen unter Berücksichtigung flexibler Strompreise

Lade- und Routenplanung von elektrischen Frachtfahrzeugen unter Berücksichtigung flexibler Strompreise

Ziele/Ideen

Am 11. November 2015 wurde eine rechtsverbindliche Vereinbarung verabschiedet, um die Auswirkungen des Klimawandels zu reduzieren und die Erwärmung des Planeten unter zwei Grad Celsius zu halten. Um dies zu ermöglichen, zwingt die Vereinbarung die Länder, Emissionen zu reduzieren. Insbesondere müssen die Transport- und Stromerzeugungssektoren drastische Veränderungen erfahren, um das vorgeschlagene Ziel zu erreichen. Der Straßenverkehrssektor trägt etwa 21% zu den globalen CO2-Emissionen bei und ist der zweitgrößte Emissionserzeuger neben dem Strom- und Wärmeerzeugungssektor.

Auch die globalen Energiemärkte haben in den vergangenen Jahrzehnten drastische Veränderungen erfahren. Eine neue Marktgestaltung getrieben durch die Notwendigkeit der Integration erneuerbarer Energieerzeuger eröffnet neue Möglichkeiten in der Stromerzeugung und Speicherung. Für die Versorgungsunternehmen deren Primärenergiequellen regenerativ sind, ist eine Abstimmung zwischen Produktion (Angebot am Strommarkt) und Nachfrage hochkomplex, da Volatilitäten aus beiden Bereichen ausgeglichen werden müssen. Dies wird insbesondere durch eine intransparente Preispolitik und Informationsasymmetrien erschwert. Darüber hinaus ist das Fehlen einer ökonomisch sinnvollen Speichertechnologie für den kurzfristigen Netzausgleich ein zusätzlicher Erschwernisfaktor.

Eine Studie von McKinsey aus dem Jahr 2016 schätzt, dass bis 2030 ein Elektrifizierungsgrad von Fahrzeugen von bis zu 50% erreicht werden könnte. Diese Entwicklung im Mobilitätsektor stellt eine zusätzliche Herausforderung für das Stromnetz und die Versorger dar. Ergänzend könnten die Speicher batteriebetriebener Fahrzeuge auch eingesetzt werden, um das Stromnetz zu entlasten und somit einen wichtigen Baustein zur Energiewende beitragen. Gerade im gewerblichen Transportbereich haben neue Fahrzeuglösungen einen großen Einfluss, da neuartige Lösungen und Konzepte auf eine große Fahrzeugflotte hochskaliert werden können.

Um bei der Stabilisierung von Netzlasten zu helfen, müssen Fahrzeuge intelligent in das Netz integriert werden, da Studien darauf hindeuten, dass eine unkontrollierte Ladung das Stromnetz zusätzlich belasten würde. Das koordinierte Laden von Fahrzeugen (smart-charging) ist ein neuartiges Konzept, das bereits in vielen Studien adressiert wurde. In Bezug auf Nutzfahrzeuge wurden allerdings stets fixe Energiepreise angenommen. Alle beteiligen Partner müssten zu einer Kooperation motiviert werden, um sowohl eine Kostenverbesserung als auch einen langfristig Netzausgleich zu erzeugen. In dem vorgestellten Modell wird untersucht in welchem Maße sich flexible Strompreise in eine Ladestrategie eines Lieferanten integrieren lassen und anhand von fünf Szenarien soll gezeigt werden, wie das beschriebene Modell umgesetzt werden kann und welche weiteren Vorteile eine Einführung generieren kann.

Kurzbeschreibung

Die Elektrifizierung des städtischen Frachtenverkehrs hat wesentliche Auswirkungen auf nahezu alle Sektoren. Diese enge Verflechtungen zwischen den einzelnen AkteurInnen ermöglicht es, branchenübergreifende Modelle und Konzepte, mit dem Ziel Herausforderungen jedes einzelnen optimal durch Potentiale anderer abzudecken, zu entwickeln. Das vorgeschlagene Konzept versucht die Forschungserkenntnisse aus den Bereichen Elektromobilität, Routing, Netzintegration und Energieproduktion zu kombinieren, um eine wirtschaftlich effiziente Koppelung der einzelnen Player zu ermöglichen.

Die konzipierte Lösungsmethode liefert eine angepasste Ladestrategie, die flexible Energiepreise an Stromtankstellen berücksichtigt und so Reise- und Ladezeiten miteinander synchronisiert. Anhand dieser Idee werden durch tarifgesteuerte Preise sowohl Preisvorteile für die FrächterIn als auch ein smarter Netzausgleich für die StromanbieterIn ermöglicht.

Resultate

Die Effekte von flexiblen Tarifzonen und angepassten Ladestrategien lassen sich anhand dieser Hauptfaktoren zusammenfassen:

1. Verringerung der variablen Ladungskosten
Die Weitergabe von flexiblen Energiepreisen an den FlottenbetreiberInnen ermöglicht es, variablen Ladungskosten zu reduzieren.

2. Verschiebung der Fahrzeugladung vom Depot
Der hohe Energiebedarf zu den Standzeiten der Flottenfahrzeuge beispielsweise in der Nacht, kann ab einer gewissen Flottengröße zu einem Engpass am Depot führen. Alle Fahrzeuge müssen zumindest soweit geladen sein, dass die Tour am nächsten Tag ohne Komplikationen erledigt werden kann. Um diesem Engpass entgegenzuwirken, ist eine Ladung während der Tour vorteilhaft und in manchen Fällen sogar unumgänglich. Flexible Strompreise können FlottenbetreiberInnen zusätzlich motivieren während der Tour zu laden.

3. Verbesserter Abgleich zwischen Angebot und Nachfrage
Durch einen Informationsaustausch der beiden AkteurInnen durch Zeitfensterbuchung an der E-Tankstelle, wird der geplante Stromverbrauch für die EnergieerzeugerIn besser kalkulierbar und ermöglicht einen besseren Abgleich zwischen Angebot und Nachfrage.

4. Verbesserte Nutzung von Energie
Das mathematische Modell minimiert Strombezogene variable Kosten. D.h. die FlottenbetreiberIn wird Energie dann einkaufen, wenn der Strompreis niedrig bzw. niedriger als der Fixpreisf ist. Dieser niedrige Energiepreis steht für ein Überangebot am Markt. Durch die preislich motivierte Ladung in diesen Zeitfenstern wird eine höhere Nachfrage erzeugt und das Angebot besser ausgelastet.

5. Entlastung des Verteilnetzes
Durch die dezentrale Ladung kommt es zu einer Entlastung der Verteilnetze, da Fahrzeuge nicht mehr an einem Ort sondern an vielen Orten zu Zeiten eines Stromüberangebots geladen werden.

Die effiziente Integration von Elektrofahrzeugen in das Stromnetz kann auf zahlreichen Ebenen Vorteile bringen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Bereitstellung eines variablen Tarifs für die, vielen Problemfeldern der E-Mobilität entgegenwirken kann.

Erstens werden die Kosten für das Transportunternehmen reduziert. Im besten Fall um etwa 20,63% pro Tag, was eine hohe Rendite und damit einen guten Anreiz für das Unternehmen darstellt. Zweitens kann mehr als die Hälfte der benötigten Energie außerhalb des Depots geladen werden. Dies ist sowohl ein Vorteil für das Transportunternehmen, das in der Lage ist, den Energieengpass am Depot zu reduzieren und Kostenvorteile zu nutzen als auch für die StromanbieterIn, der durch variable Tarife attraktive Angebote für UnternehmerInnen erzeugt. Drittens konnten durch Clustering der Kunden rund um E-Tankstellen und flexiblere Startzeiten der Touren eine zusätzliche Verbesserung der Szenarien erzielt werden.

Während das Modell derzeit nur eine Lastverschiebung auf der Rasterebene stimulieren kann, bietet es eine gute Basis für eine dezentralere Optimierung. Diese könnte auf Basis der Belastung der Verteilnetzebene gesteuert werden. Zusätzlich könnte in diesem Schritt ein Echtzeit-Fahrzeug-Lade-Management berücksichtigt werden. Durch diese Adaption des Modells wäre es auch möglich Fahrzeuge als dezentrale Speicher zu nutzen und die Rückspeisung von Energie in das Netz zu simulieren.

Einreicher

Partner

I-Log GmbH: Projektleiter (LEEFF)

Voltia: Praxispartner