Die Komponente Elektromobilität
Die Komponente Elektromobilität stellt ein variabel zu ladendes elektrisches Verbrauchsgerät dar, das zeitweise auch als Stromspeicher dienen kann. Sie ist in erster Linie zur Abbildung einzelner Elektrofahrzeuge oder ganzer Fahrzeugflotten konzipiert, kann aber auch sogenannte intelligente Verbraucher (mit flexiblem Bedarf) abbilden.
Komponentenvorlage
Die Komponentenvorlage Elektromobilität.e-ctpl befindet sich im Komponentenvorlagen-Ordner Stromversorgung.
Einbindung in ein Schema
Die folgende Abbildung zeigt beispielhaft für die Einbindung der Komponente in ein Schema das Schema der Variante 2 aus dem Tutorial 110.
Funktionsweise
Die Komponente Elektromobilität dient der Betrachtung der Schnittstelle des Elektrofahrzeugs mit dem im Schema abgebildeten Stromnetz (der Lade- oder Entladestation). Sie konzentriert sich auf die Interaktionen des Akkus mit diesem Stromnetz. Die Lade- und ggf. auch Entladevorgänge werden unter Beachtung der Leistungsgrenzen innerhalb eines vorgegebenen Netzanschlusszeitraums optimiert. Dabei wird berücksichtigt, wann wieviel Energie benötigt wird und wann sie günstig zur Verfügung steht.
Mit dem flexiblen Laden eines Fahrzeugs und der Nutzung von Autobatterien als Speicher zum Be- und Entladen lassen sich Lastspitzen senken, um den Leistungspreis zu reduzieren.
Für die Zeit, in der das Fahrzeug vom abgebildeten Stromnetz getrennt ist, werden der Gesamtenergiebedarf und der Gesamtenergieverbrauch des Fahrzeugs betrachtet. Details des Fahrverhaltens spielen keine Rolle.
Die Komponente Elektromobilität bildet komplexe Vorgänge zeitbezogen ab. Die Konventionen zur Eingabe der Last- und Kapazitätsprofile müssen genau beachtet werden.
Die Komponente wird nur in zeitabhängigen Simulationen sinnvoll eingesetzt. Für die Betrachtung eines stationären Zeitpunktes des Energiesystems ist die Komponente nicht geeignet.
Die Tutorials 28 und 110 demonstrieren die Funktionsweise der Komponente.
Fahrzeugcharakteristik
Die Angaben zur Fahrzeugcharakteristik und zu den Bedarfen können wahlweise in Form von (ggf. überlagerten) Zeitreihen oder in Form eines Zeitplans gemacht werden. Die Eingabemethode wird in der Drop-down-Liste unter der Überschrift Bedarfsermittlung via Zeitplan oder Zeitreihenvorgabe ausgewählt (siehe folgende Abbildung).
Zeitplan
Der Zeitplan eignet sich für einzelne Fahrzeuge, insbesondere wenn der Bedarf nicht genau prognostiziert werden kann.
Im Zeitplan wird der typische Tagesablauf eines Elektrofahrzeugs mit den folgenden Angaben festgelegt.
Als Speicherkapazität wird die Kapazität des Akkus angegeben. Eine z. B. durch Degradation im Vergleich zur Nennkapazität geminderte Kapazität kann in dem Expressionfeld kommentiert und umgerechnet werden (siehe folgende Abbildung).
Der Energiebedarf kann pro Nutzungsperiode oder pro Kilometer angegeben werden. Im zweiten Fall ist zusätzlich die Gefahrene Strecke pro Nutzungsperiode anzugeben.
Unter Zeitplan werden die Uhrzeiten der Trennung vom Stromnetz und des Anschlusses an das Stromnetz angegeben. Dabei kann zwischen Werktagen und Wochenendtagen unterschieden werden. Der erste und der letzte Wochenendtag sind unter allen Wochentagen wählbar. Auf diese Weise kann z. B. ein Wochenende von Freitag bis Sonntag oder nur ein Sonntag als Wochenende festgelegt werden.
Wenn die Eingabeoptionen Zeitplan und Entladung ans Netz möglich (siehe unten: Ladecharakteristik) gleichzeitig aktiviert werden, muss ein Zeitfenster für die Berechnung (Look-Ahead) gewählt werden.
Wird in einem Projekt Strukturoptimierung mit Zeitreihenkompression durchgeführt, kommt es in der Komponente Elektromobilität bei der Bedarfsermittlung via Zeitplan zu Fehlern. Eine entsprechende Warnung wird angezeigt.
Sie können die Strukturoptimierung ohne Kompression durchführen, aber beachten Sie dabei, dass dadurch die Rechenzeit verlängert wird. Um der Rechenzeitverlängerung entgegenzuwirken, können Sie den Simulationsfilter auf jeden 2. oder 3. Zeitschritt (Raster) einstellen.
Zeitreihen
Stehen genauere Daten zur Nutzung eines Fahrzeugs, bzw. einer Fahrzeugflotte, zur Verfügung, so empfiehlt sich die Vorgabe des Lade- und Entladeverhaltens durch Zeitreihen. Auch wenn das Nutzungsverhalten des Fahrzeugs in verschiedenen Wochen stark variiert, sollte die Vorgabe durch Zeitreihen stattfinden.
Dabei müssen die folgenden Hinweise zur Zeitreihenerstellung beachtet werden.
Die Verfügbare Speicherkapazität stellt die Kapazität der Batterie während des Anschlusses an das Stromnetz dar. Sie wird nur in diesen Zeitschritten angegeben und beträgt in der übrigen Zeit 0.
Der Energiebedarf des Fahrzeugs/der Flotte ist der Energiebedarf während einer Nutzungsperiode. Dieser wird im letzten Zeitschritt der Netzanschlussphase angegeben.
Die Restenergie bei Netzanschluss kann im ersten Zeitschritt der Netzanschlussphase angegeben werden, um den bei Ladebeginn vorhandenen Restenergiegehalt des Akkus zu berücksichtigen.
Die Verfügbare Speicherkapazität beinhaltet die ans Netz angeschlossene Akkukapazität. In Zeiten, in denen der Akku nicht ans Netz angeschlossen ist, beträgt die Verfügbare Speicherkapazität 0.
Ist ein Fahrzeug mit einer nutzbaren Kapazität von 40 kWh in der Zeit von 16:00 Uhr des einen Tages bis 7:00 Uhr des Folgetages am Netz angeschlossen, so wird in diesen Zeitschritten die Speicherkapazität mit 40 kWh angegeben. In den Zeitschritten zwischen 7:00 Uhr und 16:00 Uhr, in denen das Fahrzeug nicht am Netz angeschlossen ist, beträgt die Verfügbare Speicherkapazität 0.
Der Energiebedarf des Fahrzeugs/der Flotte (in den folgenden Abbildungen rot) wird immer im letzten Zeitschritt der Phase angegeben, in der das Fahrzeug am Stromnetz angeschlossen ist. In dem Beispiel der folgenden Abbildung wird in der Nutzungsperiode die gesamte Energie verbraucht und die Kapazität (gelb) ausgeschöpft. Um ausreichend Energie zur Verfügung zu haben, muss der Akku vorher voll aufgeladen werden. Beträgt dagegen der Energiebedarf nur die Hälfte der Kapazität, kann der Akku (als ökonomisch sinnvolles Ergebnis der Simulation) nur halb geladen werden.
Der Wert der Restenergie bei Netzanschluss (in den folgenden Abbildungen blau) wird im ersten Zeitschritt, in dem das Fahrzeug an das Stromnetz angeschlossen ist, angegeben.
Die Restenergie bei Netzanschluss und der Energiebedarf müssen sich rechnerisch nicht entsprechen, da in der Simulation die Zeit, in welcher das Fahrzeug vom Netz entkoppelt ist, nicht betrachtet wird. Das Fahrzeug könnte theoretisch in dieser Zeit durch einen anderen Netzanschluss geladen werden und daher zu Beginn des Anschlusses an das betrachtete Systemnetz noch einen hohen Restenergiegehalt aufweisen.
Betriebsweise/Look-Ahead
Da der Energiebedarf des Fahrzeugs oder intelligenten Verbrauchers erst nach dem Ladevorgang fällig wird, muss sichergestellt werden, dass der entsprechende Ladezustand erreicht wird. Das heißt, im jetzigen Zeitschritt muss der Akku (ggf. ökonomisch nachteilig) geladen werden, um im zukünftigen Zeitschritt, nach Entkoppeln des Fahrzeugs vom Stromnetz, die Energie zur Verfügung zu haben.
Daher muss im Simulationsformular unter Look-Ahead ein Zeitfenster für die Optimierung vorgegeben werden.
Eine Ausnahme bildet die Einstellung, bei der der Bedarf über einen Zeitplan angegeben wird und keine Entladung an das Netz möglich ist. In diesem Sonderfall kann die benötigte Mindestenergie berechnet werden – allerdings wird dann nicht „intelligent“ geladen.
Die Standardeinstellung für das Zeitfenster für die Berechnung von einer Stunde reicht für die Elektromobilitätskomponente meistens nicht aus. Ein größeres Zeitfenster für die Berechnung verursacht zwar längere Rechenzeiten, kann aber auch geringere Betriebskosten erzielen.
Das Zeitfenster für die Berechnung muss mindestens so groß wie der Ladezeitraum, der zum Erreichen der geforderten Akkukapazität notwendig ist, sein.
Wenn ein Akku mit einer Speicherkapazität von 40 kWh mit der maximalen Ladeleistung von 15 kW geladen wird, ist eine Ladezeit von ca. drei Stunden nötig.
Der Look-Ahead muss mindestens 3 h betragen.
Wenn kein Zeitfenster für die Berechnung festgelegt wurde, erscheint die Modellmeldung 8505.
Mehrere Fahrzeuge/Fahrzeugflotte
Eine Komponente Elektromobilität kann auch mehrere Fahrzeuge abbilden.
Bei den überlagerten Kurven sind die eingehaltenen Konventionen nicht auf den ersten Blick sichtbar (siehe folgende Abbildung). Trotzdem müssen die Konventionen minutiös in den einzelnen Schritten eingehalten werden. Sonst kann unter Umständen das Optimierungsproblem nicht gelöst werden, und die Ursachenforschung wird dann kompliziert.
Aus überlagerten Zeitreihen einer Flotte können keine Rückschlüsse auf die einzelnen Fahrzeuge gezogen werden. Will man eine ganze Flotte exakt nachbilden, muss pro Fahrzeug eine eigene Komponente verwendet werden.
Je höher die Zahl der Komponenten, desto komplexer ist das Energiesystem und desto länger ist die Rechenzeit.
Eine Flotte wird z. B. in vormittags-, mittags- und abendaktive Fahrzeuge unterteilt.
Ladecharakteristik
Im Abschnitt Ladecharakteristik (siehe folgende Abbildung) werden Einstellungen zum Lade- und Entladeverhalten vorgenommen. Durch die Auswahl Entladung an das Netz möglich mit einem Häkchen in der Checkbox wird festgelegt, dass die Batterie des Fahrzeugs auch als Pufferspeicher dienen kann. In diesem Fall kann das Fahrzeug bei Bedarf Energie an das Stromnetz oder den Haushalt abgeben. Ist diese Auswahl nicht getroffen, kann die Batterie des Fahrzeugs während des Netzanschlusses nur geladen werden, und die Entladung erfolgt ausschließlich beim Fahren und durch Verluste.
Wird die Entladung ans Netz ausgeschlossen und die Fahrzeugcharakterisitik über Zeitreihen eingegeben, sollte die Verfügbare Speicherkapazität nicht größer als der Energiebedarf des Fahrzeugs/der Flotte vorgegeben werden. Ein Beispiel hierfür finden Sie unten unter Tipps: Anpassung von Speicherkapazität und Energiebedarf.
Die Maximale Lade– und Entladeleistung und die jeweiligen Wirkungsgrade werden (analog zu den anderen TOP-Energy-Speichermodellen) eingegeben. Wird nur ein Fahrzeug abgebildet, entspricht die Maximale Ladeleistung der dieses Fahrzeugs. Wird eine Flotte von zehn Fahrzeugen abgebildet, die gleichzeitig geladen werden, beträgt die Maximale Ladeleistung das Zehnfache der Ladeleistung eines einzelnen Fahrzeugs.
Intelligenter Verbraucher (flexibler Strombedarf)
Die Komponente Elektromobilität kann verwendet werden, um einen intelligenten Verbraucher (flexiblen Strombedarf) abzubilden.
In den Technischen Eingabedaten darf dann unter Ladecharakteristik die Option Entladung an das Netz möglich nicht durch ein Häkchen in der Checkbox aktiviert sein.
Eine Wärmepumpe soll zur Erhitzung von Wasser in einem Heißwasserspeicher eingesetzt werden. Die Wärmepumpe soll zwischen 09:00 Uhr und 18:00 Uhr zu einem ökonomisch günstigen Zeitpunkt betrieben werden, sodass nach 18:00 Uhr das heiße Wasser zur Verfügung steht.
Um das gewünschte Simulationsergebnis zu erzielen, muss der Energiebedarf zur Wassererhitzung sowohl als Verfügbare Speicherkapazität als auch als Energiebedarf der Komponente Elektromobilität eingegeben werden.
Tipps
Die Komponente Elektromobilität ist aufgrund des Speicherverhaltens mathematisch komplex. Sie ist darauf ausgelegt, unterschiedliche Szenarien zu behandeln (z. B. Einzelfahrzeuge und Fahrzeugflotten).
Die folgenden Tipps können helfen, das Konvergenzverhalten der Komponente projektspezifisch zu verbessern und die Rechenzeit zu verkürzen.
Eine über den Bedarf hinausgehende Kapazität kann nur genutzt werden, wenn die Entladung an das Netz möglich ist.
In der folgenden Abbildung entspricht der Energiebedarf des Fahrzeugs nicht immer 100 % der Verfügbaren Speicherkapazität, weil in einigen Nutzungsperioden weniger Energie benötigt wird, als die Verfügbare Speicherkapazität der Batterie bereitstellen könnte. Wenn die Option Entladen an das Netz möglich gewählt ist, kann die Verfügbare Speicherkapazität als Pufferspeicher durch das Netz genutzt werden. Diese Vorgabe kann sinnvoll sein.
Wenn die Entladung an das Netz nicht möglich ist, sollte in den Eingabedaten die Verfügbare Speicherkapazität auf den vorraussichtlichen Energiebedarf des Fahrzeugs herabgesetzt werden, wie in der folgenden Abbildung. Das minimiert das mathematische Problem und verkürzt die Rechenzeit.
Die folgende Abbildung zeigt die Anpassung des Energiebedarfs an die Speicherkapazität. Dadurch ist der Akku zum Ende jedes Ladevorgangs vollgeladen. Diese Option ist günstig, wenn mit einem kürzeren Look-Ahead gerechnet werden soll.
Wenn die Option Entladung an das Netz möglich deaktiviert ist, kann es trotzdem vorkommen, dass in den Ausgabedaten für die Entladeleistung ein sehr kleiner Wert (kleiner/gleich 1 W) angezeigt wird, denn standardmäßig wird dem Modell auch beim Verbot der Entladung an das Netz ein Spielraum für die Entladeleistung von einem Watt gewährt, um numerische Verbesserungen zu bewirken. Dieser Spielraum lässt sich verkleinern oder vergrößern, wenn in der Modellbeschreibung unter Energiesicht in der Zeile 81 die Gleichung
lP_el_out <= 1 [W] ;
angepasst wird.
Soll die Null erzwungen werden, ersetzen Sie die Gleichung mit
lP_el_out == 0 [W] .
Das Beschränken auf null kann allerdings Probleme verursachen, sodass nicht alle Zeitschritte gelöst werden. In diesem Fall kann der Look-Ahead vergrößert werden, um die Lösbarkeit zu begünstigen.
