Elektromobilität und Sektorenkopplung

Mit der erheblichen weltweiten Steigerung der Lebensqualität in den letzten Jahren ist auch die Abhängigkeit des Menschen von technischen Infrastrukturen und deren Teilsystemen gestiegen. Neben den Sektoren Energie und Transport/Verkehr zählen auch Informationstechnik und Telekommunikation sowie die Wasserversorgung zu den überlebensnotwendigen technischen Basisinfrastrukturen. Betrachtet man die Tendenzen, bei der Entwicklung der in diesem Buch behandelten drei kritischen Infrastrukturen, Strom (besonders aus regenerativen Energien), Verkehr/Transport und IKT zusammengenommen, so stellt man einige Trends fest, die unmittelbar zu einem konsequenten Zusammenwachsen dieser Sektoren führen werden. Um die Konvergenz der Sektoren, und damit auch die Steigerung der Effizienz des Gesamtsystems zu erzielen, müssen die gekoppelten Systeme einschließlich IKT von vornherein gezielt und angepasst geplant werden. In diesem Kapiteln werden die kritischen Infrastrukturen vorgestellt und weiterhin als gekoppeltes System definiert.

Eine der größten Herausforderungen bei der Substitution konventioneller Fahrzeuge durch batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (E-Kfz) sind die Reichweite und die lange Dauer des Ladevorgangs bei Batteriefahrzeugen. Eine Alternative hierzu stellen auch Brennstoffzellenfahrzeuge dar. Diese verfügen über einen elektrischen Antrieb, der seinen Fahrenergiebedarf aus einer Brennstoffzelle erhält.

So werden in diesem Kapiteln folgende physikalische Grundlagen und technische Themen eines E-Kfz detailliert beschrieben: Antrieb und Antriebsstrang, Energiespeicher,Nebenverbraucher,Leistungsbedarf und Leistungsberechnung,

Dieses Kapitel ist den elektrotechnischen Grundlagen der elektrischen Komponenten im E-Kfz gewidmet. Zentrale Elemente eines batteriebetriebenen Elektrofahrzeugs sind die Traktionsbatterie und der Antrieb. Mit der Batterie sind mehrere Umrichter verbunden, über welche die Verbraucher mit elektrischer Energie unterschiedlicher Spannung versorgt und gesteuert werden. Im Elektrofahrzeug existieren zwei bzw. drei verschiedene Bordnetzspannungen. Dies ist notwendig, da die Verbraucher große Unterschiede in ihrer Leistungsaufnahme aufweisen. Nach der Beschreibung des Antriebsdesigns werden in diesem Kapitel unterschiedliche Ladetechniken besprochen. Eine wichtige Rolle spielt in Bordnetzen des E-Kfz die Leistungselektronik. Deswegen wird im Weiteren in wichtige Komponenten und Schaltungen der Leistungselektronik eingeführt und diese erläutert. Dem folgt die Beschreibung von elektrischen Maschinen, die als Antrieb im E-Kfz zum Einsatz kommen. Vor- und Nachteile unterschiedlicher Batteriesysteme, sowie auch der Energiespeicher werden diskutiert. Im letzten Teil dieses Kapitels werden die Grundlagen der Brennstoffzellentechnik dargelegt, die auch innerhalb von E-Kfz angewendet werden.

Eine weitgehende Standardisierung der Systemkomponenten und der verwendeten IKT-Protokolle eines E-Kfz muss im internationalen Maßstab vorgenommen und abgeschlossen werden, bevor die Elektromobilität als ein kommerzielles Produkt den Massenmarkt adressieren kann. Erst dadurch werden die Grundlagen für eine erfolgreiche Sektorenkopplung gegeben. So werden in diesem Kapiteln die Normen aus den technischen Bereichen der Elektromobilität (u. a. Ladeinfrastruktur, Fahrzeugtechnik) systematisiert vorgestellt und notwendige weitere Entwicklungen in diesem Bereich besprochen. Die Gremien, die sich mit der Thematik Standardisierung im Bereich E-Kfz beschäftigen werden benannt und die zweckmäßige Verzahnung unterschiedlichen Normen werden erklärt. Eine Vielzahl von technischen Details wird mithilfe von Beispielen und Darstellungen erläutert.

Die Herausforderung im 21. Jahrhundert besteht darin, Elektrofahrzeuge in ein Gesamtsystem bestehend aus unterschiedlichen Infrastrukturen, wie Energie und Verkehr mit deren typischen unterschiedlichen Eigenschaften und Anforderungen, zu integrieren und technisch-wirtschaftlich sinnvoll mit diesem System interagieren zu lassen. Weitere Funktionalitäten und Dienstleistungen sollen darauf aufbauen können, die einerseits die Zuverlässigkeit der jeweiligen Struktur beibehalten bzw. sogar erhöhen und anderseits neue Geschäftsmodelle/Dienste ermöglichen. Zu diesen Diensten, die nur durch eine sektorübergreifende Kopplung realisierbar sind, gehören bspw. die Rückspeicherung der elektrischen Energie des E-Kfz ins Netz,

Nach einer kurzen Beschreibung der Teilsysteme wird die Modellbeschreibung eines integrierten Mobilitätssystems angegangen. Dazu werden u. a. CIM-basierte Methoden vorgestellt und auf Basis von Ergebnissen aus dem BMWi Leuchtturm Projekt Harz.ErneuerbareEnergien-Mobility erläutert, wie man die Systemkomponenten mittels geeigneter Schnittstellen verbinden kann, um Konvergenzeffekte der Teilsysteme zu erreichen.