Siedlung mit 600 Wohnungen komplett für 100% Elektroautos vorbereiten

Geschrieben von reinfire am 29.11.2019 00:21:41:

Folgende Aufgabenstellung zur Skizzierung:
(Arbeitsversion V0.1alpha / Experiementell)


"Es sind 4 Aufgänge mit je 30 Mietwohnungen. Davon stehen 5 Häuser in einer
Reihe. Also 600 Mietwohnungen. Nun lass davon 400 Mann ein EAuto haben, da
geht bei einem Drittel angestöpselt im Ort das Licht aus. Erzähle mir nix von
der Kartoffel.

Das wären 400 x 9 kW etwa = 3600 kW die gezogen werden und die leeren
Anschlüsse, sagen wir 200 müsste das ebenfalls immer anstehen. Macht dann
600 x 9 kW = 5400kw die ständig zur Verfügung stehen müssen."


Zuerst wollte ich in der Planung nur einen einzelnen Häuserblock (4 Aufgänge mit
je 30 Mietwohnungen) betrachten und später dann ganz einfach auf die 5 Blöcke
(im folgenden Siedlung genannt) hoch skalieren. Ich habe mich aber dann dazu
entschlossen das direkt als ganzes zu betrachten, in der stillen Hoffnung das
ich damit weniger Angstreserve mit einplane :-)

Des weiteren möchte ich die Aufgabe dahingehend ändern, das wir in diesem Modell
von 100% Elektrofahrzeugen ausgehen. Statistisch hat jeder Haushalt 1,14 Autos.
Daher erhöhe ich die Zahl der zu versorgenden Autos von 400 auf 684 Stück.

41.378.000 Haushalte in Deutschland (Stand: 2018)
Quelle: https://de.statista.com/statistik/daten/studie/156950/umfrage/anzahl-der-privathaushalte-in-deutschland-seit-1991/

47.100.000 Personenkraftwagen (Stand: 2019)
Quelle: https://www.kba.de/DE/Statistik/Fahrzeuge/Bestand/bestand_node.html

Dazu sehen wir noch 10% systemfremde Fahrzeuge vor, die ihren halben
Jahresverbrauch aus irgendwelchen Gründen in der skizzierten Siedlung
aufladen. Effektiv sind dies dann 35 Autos zusätzlich.

Wo wir gerade dabei sind, packen wir nochmal 10% Fahrzeuge dazu um auch für
die Freunde und die liebe Verwandtschaft etwas Strom für die Heimreise abdrücken
zu können. Also nochmal 35 Fahrzeuge obendrauf.

Schlussendlich landen wir bei 754 Fahrzeuge in unserem Modellaufbau.



Phase 1: Welche Strecke legen unsere Fahrzeuge da im Jahr eigentlich zurück?

Erneut ziehen wir die Zahlen des Kraftfahrt Bundesamt heran:
https://www.kba.de/DE/Statistik/Kraftverkehr/VerkehrKilometer/2017_vk_kurzbericht_pdf.pdf?__blob=publicationFile&v=14

Aus dieser Quelle geht hervor, das ein PKW im schnitt eine jährliche
Fahrleistung von 13.922km (Stand 2017) hat. In unserer Siedlung betreuen
wir 754 Fahrzeuge. Dies entspricht zusammen eine jährliche Fahrleistung
von 10.497.188km im Jahr. Das entspricht rund 262 Erdumrundungen oder
knapp 14 mal von der Erde zum Mond und wieder zurück.


Phase 2: Was verbraucht so ein Stromer eigentlich auf 100 Kilometer?

Das Vergleichsportal Verivox.de geht hier von 150Wh pro Kilometer aus, aber
gehen wir ruhig von etwas mehr, sagen wir 160Wh aus. Ich bin bisher hier im
Forum allerdings immer von 200Wh pro Kilometer ausgegangen. Müsst ihr mir sagen
ob wir das so beibehalten sollen. Es macht aber auch nicht so extrem viel aus,
außerdem haben wir hier in der Modellrechnung sowieso überall genug Puffer
drin. So erschien mir die Annahme von 160Wh anstatt 200Wh für durchaus
angemessen und angebracht. Also wenn jemand Einwände dagegen hat, höre ich
das gerne.

Basis: https://www.verivox.de/elektromobilitaet/themen/verbrauch-elektroauto/


Phase 3: Welche Energiemenge verbraucht unsere Flotte den pro Jahr?

Der einfachheit halber nehmen wir an, das alle Autos in unserem Model ihren
kompletten Jahresverbrauch in der Siedlung aufladen werden. Wir lassen die
sekundären Lademöglichkeiten (Arbeitgeber, Destinationcharger, Supercharger)
selbstbewusst außen vor und laden nur und ausschließlich in unserer kleinen
modernen Siedlung.

Wir multiplizieren jetzt also unsere jährliche Fahrleistung mit den
obigen 160Wh und erhalten auf kurzem Weg die nötige Jahresenergiemenge:

10.497.188km x 160Wh = 1.679.550.080Wh/p.a. = 1.679.550kWh/p.a.

Natürlich haben wir auch Ladeverluste zu berücksichtigen, nehmen wir an dieser
Stelle ruhig mal 10% Verluste in kauf.

Ladeverluste beim Tesla Model S: https://www.youtube.com/watch?v=rfwwZbxRd1E

1.679.550kWh + 10% = 1.847.505kWh/p.a.

Wir sind also an dieser Stelle bei einem Gesamtverbrauch unserer Flotte bei
stattlichen 1.847.505kWh pro Jahr im Worst-Case.


Phase 4: Was bedeutet das nun umgerechnet pro Haushalt?

Unsere Siedlung besteht aus 600 Haushalten, wir erhalten

1.847.505kWh / 600 Haushalte = 3.079kWh im Jahr pro Haushalt

(Bitte an dieser Stelle nicht die Stromkosten pro Haushalt berechnen, das
macht hier einfach keinen Sinn, da es dem individuellen Fahrprofil nicht
gerecht wird.)


Phase 5: Welche elektrische Arbeit in Kilowattstunden muss uns der
Netzbetreiber gemittelt übers Jahr pro Tag bereit stellen?


Für unsere Siedlung muss der Netzbetreiber uns gemittelt
1.847.505kWh / 365 Tage = 5.061kWh pro Tag bereitstellen

Bezogen auf einen einzelnen Haushalt ist es
3.079kWh / 365 Tage = 8,43kWh pro Tag pro Haushalt


Phase 6: Welche elektrische Leistung in Kilowatt muss uns der
Netzbetreiber gemittelt übers Jahr bereit stellen?


Für unsere Siedlung brauchen wir vom Netzbetreiber gemittelt
5.061kWh pro Tag / 24 Stunden = 210 Kilowatt Anschlussleistung

Bezogen auf einen einzelnen Haushalt sind es
8,43kWh pro Tag / 24 Stunden = 351 Watt Anschlussleistung

Diese Werte sind natürlich erstmal ziemlich theoretische Werte, allerdings
verschafft es uns schon mal ein Gefühl für die eigentlich benötigte Energiemenge
für eine 100% elektrifizierte PKW Flotte in unserer modellierten Siedlung.


Phase 7: Aber die Spitzen wenn viele gleichzeitig laden wollen?

Die Lösung hier lautet schlicht Lastmanagement und dafür brauchen
wir zwei extrem werte, zwischen den unser Lastmanagement vermitteln muss.

Den unteren Wert, wenn also wirklich alles perfekt ausgemittelt ist, haben wir
bereits vorliegen, es sind die weiter oben errechneten 210 Kilowatt Anschluss-
leistung für die ganze Siedlung. Auf der untersten Mittelspannungsebene von
10kV entspricht dies übrigens knapp 12 Ampere pro Außenleiter. Das schafft ein
handelsüblicher mittelgroßer Masttransformator ohne rot zu werden.

Das andere extrem müssen wir noch definieren, ich schlage
folgende sehr übersichtliche Annahme vor:

Alle Autos fahren morgens um 6 Uhr los und kommen alle um 18 Uhr wieder zurück.

Dadurch verkürzt sich das reguläre Ladefenster eines PKW auf 12 Stunden pro
Tag. Dies erfordert dann eine Anschlussleistung von 420 Kilowatt die uns
der Netzbetreiber zur Verfügung stellen muss.


Phase 8: Wie funktioniert das Lastmanagement nun genau?

Also Grundsätzlich gibt es eine Unmenge an Varianten wie wir in einem bestimmten
Szenario ein Lastmanagement etablieren können. Dies hängt natürlich auch von den
konkreten Anforderungen ab. In unserem Modell muss das Lastmanagement dafür sorge
tragen das alle PKWs unserer Siedlung in den 12 Stunden wieder geladen werden
und es muss in unserm Fall innerhalb der 420 Kilowatt Anschlussleistung bleiben.

Hier an dieser Stelle kommen nun endlich die eigentlichen Ladesäulen zur
Anwendung. Der Einfachheit halber verzichte ich auf einphasige Ladesäulen
und verwenden lediglich die dreiphasigen 11kW Ladesäulen die an einem einfachen
CEE Rot 16A Anschluss betrieben werden können.


Phase 9: Das Lastmanagement in unserem Modell

An einem 420 Kilowatt Anschluss können wir 38,2 Fahrzeuge gleichzeitig
mit 11kW aufladen.

Die durchschnittliche Fahrleistung eines PKW in Deutschland pro Tag
beträgt 13.922 Kilometer / 365 Tage = 38,14km

Wir benötigen folglich pro Fahrzeug folgende Energiemenge:
38,14km * 160Wh/km + 10% Ladeverluste = 6,71kWh

An einem 11kW Anschluss haben wir diese Energiemenge
in etwa 36,6 Minuten rein geschaufelt.

Zusammengesetzt, können wir so in einer Nacht
(720 Minuten / 36,6 Minuten ) * 38,2 gleichzeitige Ladungen = 751 Autos aufladen

Mist, ganz oben sind wir von 754 Autos ausgegangen. Naja, die 3 Autos stehen
wahrscheinlich irgendwo in der Werkstatt oder sind einfach Opfer irgendwelcher
äh.. Rundungsfehler geworden.

Das an dieser Stelle skizzierte Lastmanagement ist sehr primitiv und es gibt am
Markt sehr viel bessere Systeme, die auch tagsüber eine Menge Ladung in die
Akkus schieben können. Für das Verständnis sollte aber dieses sehr
einfach Modell ausreichen.


Phase 10: Was brauchen wir denn jetzt konkret für einen Anschluss

Das ist hier nicht abschließend zu beantworten, da wir nicht wissen über welche
Anschlussleistung die einzelnen Häuserblöcke verfügen und wie viel Reserve noch
in der Straße vorhanden ist. Pauschal würde ich davon ausgehen, das ein einziger
zusätzlicher Masttrafo vollkommen ausreicht um die Siedlung zu versorgen.

Wahrscheinlich reicht die bestehende Infrastruktur bereits jetzt aus und wenn
man die Dächer zur Not noch mit Solarzellen(*) zupflastert passt doch alles.

(*) Jaja, im Winter gibt es keine Sonne, aber dafür ist es Winter kälter
und man kann den 10kV Trafo höher belasten :-P

:-)

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