Energiespeicher auf Rädern
IBM ist an einem zukunftsweisenden Pilotprojekt zur umweltfreundlichen Mobilität beteiligt. Auf der dänischen Insel Bornholm sollen Elektroautos als Speicher für Windenergie genutzt werden.
Der Gedanke, regenerative Energien von Wind und Sonne zu speichern und dynamisch zu nutzen, birgt in sich den Kern einer Vision, die das Potenzial hat, den Umgang mit Ressourcen in Bezug auf Effizienz und Nachhaltigkeit zu revolutionieren. Das auf drei Jahre angelegte EDISON-Projekt („Electric vehicles in a distributed and integrated market using sustainable energy and open networks“) mit Beteiligung von IBM Research – Zürich, versucht diese Vision umzusetzen.
Vehicle-to-Grid: Elektrofahrzeuge als dynamischer Energiespeicher und Netzdienstleister
Ziel des im Februar lancierten und von der dänischen Regierung unterstützten kollaborativen Forschungsvorhabens ist es, ein intelligentes Stromversorgungsnetz für eine breite Anbindung von Elektrofahrzeugen, die mit nachhaltiger Windenergie angetrieben werden, zu konzipieren und zu testen. Unbestritten ist, dass der Elektromobilität eine entscheidende Rolle bei der Umsetzung eines nachhaltigen Verkehrs- und Transportwesens zukommt. Die Partner des EDISON-Konsortiums gehen noch einen Schritt weiter: Elektroautos sollen nicht nur als Abnehmer von Windenergie auftreten, sondern diese bei Bedarf auch wieder über das Stromnetz zur Verfügung stellen. In diesem „Vehicle-to-Grid“ (V2G) genannten Konzept sind Elektroautos Zwischenspeicher und Anbieter von Regelleistung.
Damit Stromnetze jederzeit den Energiebedarf decken, wird bislang die Produktion dynamisch hoch- und runtergefahren. Fällt ein Kraftwerk aus, oder entstehen unerwartete Bedarfsveränderungen, werden eingeplante Kapazitätsreserven aktiviert. Um die erneuerbare und stark fluktuierende Wind- und Sonnenenergie voll zu nutzen, soll sich deren Produktion jedoch nicht an der Nachfrage ausrichten. Solange der Anteil an regenerativer Energie im Strommix gering ist, lassen sich deren Schwankungen mit herkömmlichen Instrumenten auffangen. Bei steigendem Windanteil reichen jedoch die verfügbaren Regelkapazitäten nicht aus, um die Versorgungssicherheit und Netzstabilität zu gewährleisten. Diese Schwachstellen sollen im EDISON-Projekt mit der breiten Anbindung von Elektroautos ausgeglichen werden. Mit leistungsfähigen Batterien ausgerüstet, übernehmen reine und plug-in-hybride Elektrofahrzeuge als stabilisierende Zwischenspeicher für Strom aus Windturbinen eine Schlüsselfunktion im Versorgungsnetz. Denn über 90 Prozent aller Fahrzeuge sind durchschnittlich nur eine Stunde am Tag im Gebrauch. Durch Ladestationen in der Heimgarage und auf wichtigen öffentlichen und betrieblichen Parkplätzen liesse sich so sehr einfach ein grosser Speicher ans Netz anschliessen und zweiweg nutzen.
Bornholm als Testumgebung
Die Partner im EDISON-Projekt erforschen diese Form der intelligenten Stromspeicherung mit gleichzeitiger Netzregelleistung und entwerfen Smart-Grid-Modelle, die einen Anteil von 50 Prozent Windenergie ermöglichen und sich auch in grossem Massstab umsetzen lassen. Neben IBM setzt sich das Konsortium zusammen aus den dänischen Energieunternehmen DONG Energy und Østkraft, der Dänischen Technischen Universität (DTU) und deren Zentrum für nachhaltige Energien, Risø, sowie Siemens, Eurisco und dem Dänischen Energieverband, Dansk Energi.
„Es herrscht Konsens, dass Elektrofahrzeuge
und Windenergie grosses Potenzial für eine
nachhaltige Energiezukunft haben. Im
EDISON-Projekt kombinieren wir beide nutzbringend
miteinander und hoffen, deren Verbreitung
zu beschleunigen.“
DIETER GANTENBEIN,
Projektleiter bei IBM Research – Zürich.
Als Testumgebung dient die dänische Ostseeinsel Bornholm. Mit knapp 600 km2 Fläche, 40 000 Einwohnern und einem grossem Windpark, der bereits heute etwa 23 Prozent des Gesamtstroms der Insel liefert, bietet sie ein ideales Umfeld. Zudem ist das Stromnetz der Insel klar abgegrenzt und dadurch überschaubar. In einer ersten Phase des Projekts untersuchen die Forscher, wie sich eine schrittweise Erhöhung von Elektrofahrzeugen auf das Energiesystem der Insel auswirkt. Damit die Stromversorgung der Insel während der verschiedenen Experimente nicht tangiert wird, verwenden die Studien nebst realen Messwerten vorerst Simulationstechniken, die das IBM Team in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Kopenhagen im Sinne von „real-world aware“ integriert. Zu diesem Zwecke hat IBM der DTU einen leistungsstarken BladeCenter Server zur Verfügung gestellt, auf dem eine skalierbare Software-Infrastruktur entwickelt wird.
„Der entscheidende Punkt bei den Simulationen ist es, das Netzlastverhalten mit der Verfügbarkeit von Windenergie im Stromnetz einerseits und den Batterieeigenschaften und Transportbedürfnissen andererseits zu synchronisieren“, erklärt Carl Binding vom IBM EDISON-Team. Werden die Fahrzeuge zu angebotsstarken Zeiten mit Windenergie aufgeladen, lassen sich CO2-Emissionen nachhaltig senken und Investitionen optimal nutzen. „Nur mit geschickten, stabilisierend wirkenden Regelalgorithmen und lokaler sensorischer Feinüberwachung kann man die erhöhte Netzlast und starke Dynamik durch Elektroautos und Windturbinen in den Griff bekommen“, doppelt IBM Forscher Bernhard Jansen nach.
Mit intelligenten Energiekonzepten Vorreiter sein
Eine Modellrechnung veranschaulicht das Potenzial von Elektrofahrzeugen, im Stromnetz eine regulative Funktion zu übernehmen: Wenn rund zehn Prozent aller dänischen Fahrzeuge – in absoluten Zahlen sind das rund 200 000 - einen Elektroantrieb hätten und ein Viertel ihrer 20 kWh Batterie als Regelenergie zur Verfügung stellen würden, dann entspräche das der Leistung eines 1000-Megawatt-Kraftwerks über den Zeitraum von einer Stunde.
Die Zusammenarbeit mit der dänischen Regierung erweitert das Gesamtprojekt um eine politische Dimension. Denn ohne Akzeptanz und Einbezug der Bevölkerung und der Politik ist eine zügige Umsetzung im Alltag nicht möglich. So muss der Umstieg auf Elektrofahrzeuge beispielsweise auch finanzielle Anreize mit sich bringen. Steuererleichterungen stehen hierbei ebenso zur Diskussion wie die flexible Regulierung des Strompreises. In Dänemark sind Investitionen geplant, die darauf hinzielen, in den kommenden Jahren den Anteil von Elektrofahrzeugen auf 200 000 zu erhöhen. Eine konkrete Massnahme sieht vor, dass die geltende Automobilsteuer in Höhe von 180 Prozent beim Kauf eines Elektrofahrzeuges erlassen wird.
Eine solche Kombination von umwelttechnischen und finanziellen Argumenten, dem Ausbau der Infrastruktur und einem steigenden Angebot an Elektro- und Plug-in-Hybridfahrzeugen wird für den Endverbraucher ein echter Ansporn zum Umstieg auf Elektromobilität sein. Gemäss Dieter Gantenbein hat Dänemark „mit einem hohen Anteil an Windenergie und der steuergünstigen Einführung von Elektroautos eine einmalige Chance, Geschichte zu schreiben.“
Windräder liefern variable Strommengen. Das Vehicle-to-Grid-Prinzip kann diese Schwankungen ausgleichen: Elektroautos sind Abnehmer und Zwischenspeicher von Windenergie.
Die Autohalter stellen dem Netzbetreiber einen Teil ihrer Batteriekapazität zur Verfügung. Wird zu wenig Strom generiert, fliesst eine festgelegte Menge ihrer Batterieladung als Regelenergie zurück ins Netz.
