Analyse eines koordinierten Infrastrukturaufbaus zur Versorgung von Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeugen in Deutschland

Die Ludwig-Bölkow-Stiftung erhält von der ADAC Stiftung eine Förderung für eine Studie zur Analyse des Infrastrukturbedarfs für die Elektromobilität in Deutschland bis zum Jahr 2050. Die Bearbeitung wird bis zum März 2019 in Anspruch nehmen. Zur inhaltlichen Bearbeitung des Projektes sind das Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (Institutsteil Angewandte Systemtechnik) in Ilmenau und die Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH in Ottobrunn als Hilfspersonen der Ludwig-Bölkow-Stiftung eingebunden.

Hier geht es zur Presseerklärung der ADAC-Stiftung zur Projektvergabe.

 

Hintergrund

Am 9. November 2016 hat die Bundesregierung als Antwort auf eine Anforderung der europäischen Kommission  eine erste Version eines Nationalen Strategierahmens (NSR)  für die Umsetzung der Maßnahmen zum Aufbau alternativer Kraftstoffinfrastrukturen eingereicht. Treibende Kraft ist die Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien zur Versorgung des Verkehrs und die Ablösung vom importierten Energieträger Erdöl. Wichtige Bestandteile des NSRs im Hinblick auf die Anforderungen zur Einführung der Elektromobilität sind der Beschluss des Bundesverkehrsministeriums für Verkehr und Digitale Infrastruktur (BMVI) zum Ausbau der Schnellladeinfrastruktur für batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) in Deutschland vom 15.02.2016 sowie die Förderung des Aufbaus einer flächendeckenden Wasserstoff-Betankungsinfrastruktur für brennstoffzellenelektrische Fahrzeuge (FCEV) durch das laufende 50-Tankstellen¬Programm bzw. die ausdrückliche Unterstützung der H2 Mobility Industrieinitiative.

 

Zielsetzung

Unterschiedliche Analysen zur Entwicklung der künftigen Energieversorgungsstrukturen Deutschlands resultieren in stark voneinander abweichenden Flottenbeständen alternativ angetriebener Fahrzeuge. Eine nähere Analyse dieser Studien ergibt, dass dabei insbesondere die Energie- bzw. Kraftstoffversorgungsinfrastrukturen bisher nur am Rande betrachtet wurden. Aus deutscher Sicht werden jedoch die unterschiedlichen Erfordernisse für Batterielade- und Wasserstoffinfrastruktur entsprechend verschiedene technische, wirtschaftliche und ökologische Implikationen bzw. Rückwirkungen auf das gesamte Energiesystem haben. Beispiele dafür sind die Bedeutung solcher Infrastrukturen für die Energieversorgung in anderen Energiesektoren (z.B. für die Integration erneuerbaren Stroms durch die Bereitstellung flexibler Lasten und Speicher), eine unterschiedliche Gesamtenergienachfrage und Gesamtemissionen sowie unterschiedliche Gesamtinvestitionsbedarfe. Die Implikationen unterschiedlicher Schwerpunktsetzung, d.h. stärkere Durchdringung von Batterie- oder Brennstoffzellenfahrzeugen, dürften umso stärker ausgeprägt sein, je weiter man in die Zukunft blickt. Ein anderer wichtiger Aspekt sind die unterschiedlichen Erfordernisse an die Fördermaßnahmen der öffentlichen Hand.

Ein wichtiges Ziel dieser Arbeit besteht daher in der Analyse der Auswirkungen eines parallelen Aufbaus beider Energieversorgungsinfrastrukturen auf Energiebedarf, Treibhausgasemissionen, Maßnahmen zur Infrastrukturentwicklung, Gesamtinvestitionsbedarfe sowie politisch regulatorische Maßnahmen. Dabei werden unterschiedliche Flottenzusammensetzungen für jeweils Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeuge zugrunde gelegt.

Umfassende Energieinfrastrukturanalysen haben grundsätzlich mehrere Dimensionen des Energiesystems und seiner künftigen Entwicklung zu berücksichtigen:

  • Sektoral: Strom-, Verkehrs-, Industrie- und Wärmesektoren
  • Räumlich: geographische Differenzierung z.B. für eine protypische Region oder für Gesamtdeutschland mit der dazugehörigen Detailtiefe hinsichtlich der Energienachfrage (z.B. städtisch oder ländlich), bezüglich des Energiemixes (z.B. Anteil Windenergie, PV) und der Energieinfrastrukturen (z.B. Strom- und Gasnetz auf Verteil- oder Transportnetzebene)
  • Zeitlich: Zeithorizont bis 2050 in Zehnjahresschritten; zeitliche Auflösung z.B. stundengenau für ausgewählte Stützjahre, um mögliche Beiträge auch zur dezentralen Energiespeicherung identifizieren zu können
  • Technologisch: Berücksichtigung unterschiedlicher Technologien für Erzeugung, Verteilung, Speicherung und Nutzung von Energie entlang der gesamten Energieversorgungsketten

Basierend auf den genannten Dimensionen des Energiesystems ist die Zielsetzung der Studie, die Rolle der Energieinfrastrukturen zunächst für die Kopplung des Stromsektors mit dem Straßenverkehr als Teil des Verkehrssektors zu untersuchen. Dabei steht in einem ersten Schritt der koordinierte Aufbau der Infrastrukturen für Strom- und Wasserstoffversorgung in beiden Sektoren im Vordergrund. Die Analyse wird für ausgewählte Stützjahre für heute, 2030, 2040 und 2050 in einer stundengenauen Auflösung durchgeführt bei gleichzeitig hoher geographischer Auflösung, d.h. unter Aufteilung Deutschlands in eine Vielzahl einzelner Regionen mit großer Detailtiefe. Dabei werden für die beiden Infrastrukturen die heute bekannten Technologien für Erzeugung, Verteilung, Speicherung und Nutzung von Strom- und Wasserstoff berücksichtigt.

Damit ist das Ziel des Projektes die Entwicklung von Einsichten und Strategien, wie die Ladeinfrastruktur für Batteriefahrzeuge einerseits und die Infrastruktur für die Wasserstoffbereitstellung zur Versorgung von Brennstoffzellenfahrzeugen andererseits in die Energieversorgung in Deutschland von heute bis 2050 integriert werden kann. Dazu wird zunächst ein Gesamtmodell herangezogen bzw. teilweise entwickelt, das die drei Aspekte

  • Bedarfsnachfrage,
  • Energiebereitstellung und
  • Infrastrukturaufbau (hier insbesondere Verteilnetze und grob Transportnetze)

unter Berücksichtigung möglicher Synergien in unterschiedlichen Szenarien modelltechnisch analysiert. Dabei liegt der Schwerpunkt dieser Analyse auf dem Stromverteilnetz, da insbesondere für dieses die Auswirkungen eines flächendeckenden Ausbaues von Ladeinfrastruktur bisher nicht in der Detaillierung untersucht wurden. In dieser Analyse geht es vorrangig darum, zu verstehen, welche Ausbaubedarfe langfristig, d.h. mit Blick auf die Erfüllung der politischen Treibhausgasemissionsreduktionsziele bis 2050, auf dieser Ebene entstehen werden.

 

Arbeitsprogramm

Die Studie wird in vier Arbeitspaketen durchgeführt. Dabei liegt der Fokus der Arbeiten auf der Analyse des Strom- und Wasserstofftransportes. Erstmalig erfolgen in diesem Zusammenhang modellbasierte Analysen des Stromverteilnetzes im Hinblick auf die langfristigen Ausbaubedarfe zur Bedienung beider Antriebsarten der E-Mobilität d.h. für Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeuge:

  • AP 1: Projektmanagement und Koordination
  • AP 2: Szenarien und Annahmen
  • AP 3: Analyse des Infrastrukturaufbaus für das Gesamtenergiesystem Deutschland
  • AP 3.1: Strom- bzw. Wasserstoffnachfrageentwicklung und Auslegung von Lade- bzw. Tankstellen
  • AP 3.2: Analyse und Modellierung Verteilnetzausbau
  • AP 3.3: Modellierung des Infrastrukturbedarfs für die ausgewählten Versorgungs-szenarien (Transportnetzebene)
  • AP 4: Handlungsempfehlungen

Das erste Arbeitspaket (AP 1) beinhaltet das Projektmanagement, koordiniert den Zusammenhalt der einzelnen inhaltlichen Arbeiten und wickelt somit während des gesamten Bearbeitungszeitraums die administrativen Tätigkeiten ab. Im zweiten Arbeitspaket (AP 2) werden das Referenzszenario und eine beschränkte Zahl sinnvoller Alternativszenarien definiert sowie die wichtigsten technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Annahmen zusammengestellt bzw. erarbeitet. Danach erfolgt in AP 3 die quantitative Modellierung des Transportes von Strom und Wasserstoff sowie eine qualitative und wo möglich quantitative Analyse der Energieverteilung. Dazu werden im AP 3.1 zunächst Strombereitstellung sowie Strom- und Wasserstoffnachfrage auf Basis vorhandener Studien als Eingabeparameter für die sich anschließende Modellierung zusammengestellt. In einem weiteren Schritt (AP 3.2), dem Schwerpunkt der Arbeit, werden neben einer Sichtung bereits durchgeführter detaillierter Stromverteilnetzanalysen die Wirkungen beider Infrastrukturen auf das Stromverteilnetz für eine prototypische Region modelliert. Im Fokus der Fragestellung steht die Belastbarkeit durch die zusätzliche Stromnachfrage für den Verkehrssektor. Dabei wird auch das Gespräch mit zwei prototypischen Regionen gesucht, für die konkret eine Modellierung verschiedener Durchdringungsszenarien durchgeführt wird:

  • Stadt Hamburg (nördliche Region, großstädtisch, windenergiereich)
  • Region in Baden-Württemberg (südliche Region, ländlich, PV-reich)

Weiterer detaillierter Untersuchungsbedarf wird aufgezeigt. Im nächsten Schritt (AP 3.3) wird ein bereits bestehendes Infrastrukturmodell für die Strom- und Wasserstoffversorgung in Deutschland verwendet, um die Erkenntnisse aus der Diskussion der Verteilnetze angepasst und für die unterschiedlichen Szenarien durchgerechnet. Die resultierenden Ergebnisse werden anschließend im AP 4 zusammengeführt und interpretiert. In diesem letzten Schritt werden dann aus den erzielten Einsichten auch Handlungsempfehlungen abgeleitet.

 

Projektbeirat

Das Projekt wird über einen Projektbeirat begleitet, dem Vertreter aus den betroffenen technologischen Bereichen (z.B. Autoindustrie, Energiewirtschaft) und aus unterschiedlichen gesellschaftlichen Gruppierungen angehören. Dem Projektbeirat wird auf mehreren Sitzungen vom Projektstand berichtet. Umgekehrt hat dieser die Möglichkeit, über Empfehlungen zum weiteren Vorgehen abzugeben.