In Kombination mit erneuerbaren Energien (EEG) werden Elektrofahrzeuge (EVs) als wichtiger Bestandteil einer Transformation hin zu nachhaltigen Energiesystemen angesehen. Obwohl EVs heute nur einen geringen Anteil an der Fahrzeugdurchdringung in Deutschland darstellen, ist es das Ziel der Bundesregierung, dass im Jahr 2030 sechs Millionen EVs auf deutschen Straßen fahren sollen. Die Realisierung dessen hätte aufgrund des daraus resultierenden zusätzlichen Strombedarfs erhebliche Auswirkungen auf das Stromsystem. Wie hoch diese sind, hängt maßgeblich von der Ladestrategie der Fahrzeuge ab und ist der Forschungsgegenstand dieser Arbeit. Die übergeordnete ökonomische Fragestellung lautet: Welche Auswirkungen haben unterschiedliche EV-Ladestrategien auf Strommengen und -preise in einem Stromsystem mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien? Zur Beantwortung dessen wird zunächst der zeitabhängige Strombedarf von EVs bewertet. Im Anschluss, werden die EV-Ladestrategien unkontrolliertes Laden (UNC), kostengesteuertes Laden (DSM) und bidirektionales Laden (V2G) in einem europäischen Strommarktmodell umgesetzt und die Auswirkungen quantifiziert. Dadurch wurden folgende Erkenntnisse erlangt: EVs tragen zu einer besseren Integration der EEG bei, da alle drei Ladestrategien deren Abregelung reduzieren. Der zusätzliche Spitzenlastbedarf aufgrund von UNC wird je Millionen EVs im schlimmsten Fall auf 560 MW geschätzt. Entsprechend des Fahrverhaltens variiert die Stromnachfrage stark zwischen Werktagen und Wochenendtagen. An Werktagen sind die Spitzenwerte fast dreimal so hoch wie an Wochenendtagen. Wird durch UNC die Stromnachfrage erhöht, bedarf es des vermehrten Einsatzes von Spitzenlastkraftwerken, was zu steigenden Preisspitzen führt. Im Gegensatz dazu verschieben die beiden flexiblen Ladestrategien DSM und V2G die EV-Stromnachfrage in Zeiten mit geringer residualer Netzlast bzw. bei V2G deutlich zugunsten von Kraftwerken mit den niedrigsten Grenzkosten. Dies führt bei DSM zu einer Anhebung der Preise in Schwachlastzeiten. Bei V2G wird die Preisstruktur erheblich geglättet, indem Spitzenlastpreise reduziert und Schwachlastpreise deutlich erhöht werden. An Wochenenden ist dieser Effekt bei V2G noch stärker als an Werktagen, da ein großer Teil der EVs als stationärer Speicher genutzt werden kann. Neben ökonomischer Effizienz hat dies teilweise unerwünschte ökologische Nebenwirkungen. So werden im Fall von V2G bei niedrigen CO2-Preisen emissionsintensive Technologien wie Braunkohlekraftwerke begünstigt. Nichtsdestotrotz führen systemische Effekte, nämlich die Reduzierung von EEG-Abschaltungen, die Substitution von Spitzenlastkraftwerken und ein erhöhter Stromaustausch mit den Nachbarländern zu einer Gesamtreduktion der CO2-Emissionen. Bei hohen CO2-Preisen sind die Effekte durch V2G hinsichtlich der CO2-Emissionen und der ökonomischen Effizienz durchweg positiv. Begrenzt werden diese Vorteile von V2G durch wirtschaftliche Sättigungseffekte, welche bereits ab zwei Millionen Fahrzeugen deutlich werden. / In combination with renewable energy sources (RES), electric vehicles (EVs) are seen as an important element of a transformation towards sustainable energy systems. Although EVs currently represent only a small fraction of vehicle penetration in Germany, it is the goal of the German government to have six million EVs on German roads by 2030. The achievement of this would have a significant impact on the electricity system due to the resulting additional energy demand. How large these impacts are is the subject of this work. The overarching economic research question is: What effects do different EV charging strategies have on quantities and prices in a power system with a high share of RES? To answer this question, the time-dependent electricity demand of EVs is initially evaluated. Subsequently, the EV charging strategies uncontrolled charging (UNC), demand side management (DSM), in the sense of cost effective charging and bidirectional charging, i.e. vehicle-to-grid (V2G) are implemented in a European electricity market model and the impacts quantified.
To summarize the findings: EVs contribute to the integration of RES, since all three charging strategies reduce curtailment. In the worst case scenario, the additional peak load demand due to UNC is estimated at 560 MW per million EVs. The demand for electricity varies greatly between working days and weekend days, depending on the driving patterns. On working days, the peak demand is almost three times as high as on weekend days. Overall, UNC leads to the increased use of peak load power plants, which leads to rising price peaks. In contrast, the two flexible charging strategies DSM and V2G shift the EVs' electricity demand in times of low residual grid load or, in the case of V2G, significantly in favour of the power plants with the lowest marginal costs. With DSM, this results in an increase in prices during off-peak periods. With V2G, the price structure is considerably smoothed by reducing peak load prices and significantly increasing off-peak prices. On weekend days this effect is even stronger with V2G than on working days, since a large part of the EVs can be used as stationary storage. In addition to economic effciency, this has partly undesirable ecological side effects. In the case of V2G, emission-intensive technologies such as lignite-fired power plants are promoted at low CO2 prices. Nevertheless, systemic effects, namely the reduction of RES curtailment, the substitution of peak load power plants, and an increased electricity exchange with neighboring countries, lead to an overall reduction of the CO2 emissions. These benefits of V2G are limited due to economic saturation effects, which are already noticeable starting at two million vehicles.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:38057 |
| Date | 30 January 2020 |
| Creators | Hanemann, Philipp |
| Contributors | Bruckner, Thomas, Müsgens, Felix, Universität Leipzig |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English, German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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