Elektromobilität fürs Klima und mehr Flexibilität im Stromsystem

Ohne die Elektrifizierung der Mobilität erreicht die Schweiz ihre Klimaziele nicht. Elektromobilität ist schon heute auf dem Vormarsch und es zeichnet sich ab, dass Elektrizität bis 2050 Benzin und Diesel verdrängt haben wird. Die fahrenden Batterien bieten vielfältige Chancen für das Stromsystems – beispielsweise die Möglichkeit, die Flexibilitäten zur Entlastung der Netze zu nutzen.

Die Verkaufszahlen der teilweise oder rein elektrisch angetriebenen Personenwagen in der Schweiz sind in den letzten fünf Jahren markant gestiegen. Aktuell ist jede fünfte Neuzulassung ein Steckerfahrzeug. Von diesen rund 25% neuzugelassenen Steckerfahrzeugen verfügen zwei Drittel über einen batterieelektrischen Antrieb (BEV), das andere Drittel sind Plug-In-Hybride (PHEV). Die Elektromobilität ist auf dem Vormarsch und der Boom soll anhalten. Die Roadmap Elektromobilität 2025 des Bundes zusammen mit 56 Organisationen (darunter auch der VSE) gibt das ambitionierte Ziel heraus, dass der Anteil neuzugelassener Steckerfahrzeuge sich bis 2025 verdoppelt, sprich auf 50% klettert. Ähnliche Trends hin zur Elektrifizierung beobachtet man auch für Nutzfahrzeuge (Lieferwagen, Lastwagen) oder den öffentlichen Strassenverkehr (Busse).

Aufgrund dieser Entwicklungen geht die Studie «Energiezukunft 2050» davon aus, dass die Elektromobilität sich im Strassenverkehr durchsetzen wird und dass bis 2050 batteriebetriebene Fahrzeuge solche mit Verbrennungsmotoren verdrängt haben werden. Die Gründe dafür liegen auf der Hand.

Folgende drei Treiber werden der Elektromobilität zum endgültigen Durchbruch verhelfen:

Die Klimaziele

Die Dekarbonisierung der Mobilität ist eine wesentliche Voraussetzung, um das Ziel der Klimaneutralität zu erreichen. Die Emissionszahlen bestätigen dies eindrücklich. Das Potenzial im Verkehrssektor, CO2-Emissionen zu reduzieren, ist gross. Personenwagen, Lieferfahrzeuge, Lastwagen und Busse sind mit 95% die mit Abstand grössten Verursacher von CO2-Emissionen. Davon entfallen 72% des CO2-Ausstosses auf die Personenwagen.

Die EU hat ambitionierte Klimaziele beschlossen, die sich auf die Autoindustrie auswirken und der Elektromobilität zur Marktdurchdringung verhelfen werden. Die Netto-Treibhausgasemissionen sollen bis 2030 um mindestens 55% gesenkt werden. Das Massnahmenpaket «Fit for 55» sieht darüber hinaus eine drastische Verschärfung der Emissionsvorschriften für Neuzulassungen ab 2035 vor (voraussichtlich 0g CO2/km). Das würde der Elektromobilität endgültig zum Durchbruch verhelfen, weil nur elektrische angetrieben Fahrzeuge diese Voraussetzung erfüllen. Es ist davon auszugehen, dass die Schweiz die EU-Emissionsvorschriften übernehmen muss.

Das Fahrzeugangebot

Die europäische Autoindustrie reagiert schon heute auf die Emissionsvorschriften/Klimaziele und rüstet um. Die Schweiz als Fahrzeugimporteurin ist direkt betroffen und muss auf das gleiche Fahrzeugangebot zurückgreifen. Dieses ist bereits heute breit verfügbar und qualitativ äquivalent zu den herkömmlichen Fahrzeugen. Die Gesamtkosten über die Nutzungsdauer sind bereits heute tiefer als bei Verbrennern. Entsprechend hoch ist die Nachfrage insbesondere nach reinen Elektrofahrzeugen. Die Bedeutung von Plug-In-Hybriden dürfte mittelfristig bis 2035 abnehmen, da sie nicht den Emissionsstandards entsprechen werden.

Bei leichten Nutzfahrzeugen geht das Expertenteam der Studie «Energiezukunft 2050» ebenfalls von einer starken bis vollständigen Elektrifizierung aus. Währenddessen dürften schwere Nutzfahrzeuge und Busse teilweise elektrifiziert und teilweise mit Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb unterwegs sein. Welcher Antrieb den Vorzug erhält, ist abhängig vom Szenario und der Nutzung. Je länger die Distanzen, desto eher kommt Wasserstoff als Antrieb zur Anwendung.

Ladeinfrastruktur

Mit der wachsenden Anzahl Elektrofahrzeuge steigt der Bedarf nach Ladestationen aller Typen. Der Zugang zu einer nachfragegerechten Ladeinfrastruktur ist zentral für die Marktdurchdringung der Elektromobilität. Ladebedürfnisse können auf verschiedene Weise und an verschiedenen Orten befriedigt werden. Das Laden zu Hause und am Arbeitsplatz sind die dominierenden Ladebedürfnisse. Für längere Reisen, Dienstfahrten und den Tourismus braucht es aber auch eine bedarfsgerechte öffentliche Ladeinfrastruktur. Gemäss Roadmap Elektromobilität 2025 sollen im Jahr 2025 in der Schweiz 20'000 allgemein zugängliche Ladestationen verfügbar sein.

Flexibilität der Elektromobilität bietet Chancen

Die stetig steigende Anzahl Elektrofahrzeuge verändert nicht nur das Verkehrssystem. Die Chancen, welche sich durch die fahrenden Batterien ergeben, sind vielfältig. Die Herausforderung verbirgt sich aktuell im unidirektionalen Laden der ungesteuerten Ladelösungen, welche die Netzlast verstärken und dadurch die Netzstabilität gefährden können. Lade-Management-Systeme und bidirektionale Ladelösungen verbessern jedoch die Integration der Elektromobilität ins Energiesystem und können dieses auch unterstützen. Das Modell der Empa zeigt erste Anwendungen und deren Potential für die Entlastung des Systems auf.

Aktuell funktioniert der Ladeprozess der hiesigen Elektrofahrzeuge grösstenteils unidirektional. Der Strom fliesst ab Steckdose meist ohne Lade-Management ins Auto und wird anschliessend in der Autobatterie gespeichert. Die aktuelle Technologie lässt aber bereits heute intelligentere Lösungen zu. Smarte Lade-Management-Technologien können beispielsweise Spitzenlasten erkennen, die Netzauslastung antizipieren und in die Beladungssteuerung der Autobatterien einfliessen lassen. Weiter können neue technische Lösungen, wie das bidirektionale Laden, unseren Energieverbrauch im Zusammenspiel mit Autos, Gebäuden und Solaranlagen massgebend revolutionieren. Der Begriff «bidirektional» beschreibt dabei das Be- und das Entladen einer Fahrzeugbatterie. Das Fahrzeug wird somit als Zwischenspeicher genutzt.

Übersicht über unidirektionales und bidirektionales Laden von Elektrofahrzeugen.

Das bidirektionale Laden kann somit neben dem Senken und Erhöhen von Lasten auch Energie in den Energie-Kreislauf von Gebäuden mittels Vehicle-to-building zurückspeisen. Die Batterien können bei gezieltem Einsatz einen wesentlichen Beitrag an die Versorgung jeglicher Gebäude leisten und beispielsweise zusätzliche Technologien wie Solarpanels ergänzen.

Lastenübersicht bei unidirektionalem vs. Bidirektionalem Laden.

Das Empa-Modell zeigt: Flexibilität entlastet das Stromnetz

Auch wenn erst ca. 70’000 Elektrofahrzeuge auf Schweizer Strassen unterwegs sind, zeichnet sich schon heute hohe Gleichzeitigkeit im Ladeverhalten der Nutzenden ab. Durch die gesellschaftlichen Routinen stecken am Morgen die Autopendler im gleichen Stundenfenster das Auto bei der Arbeit ein, während am Abend sehr viele im gleichen Stundenfenster ihr Fahrzeug zuhause wieder am Stromnetz anschliessen. Das stellt für Verteilnetzbetreiber eine grosse Herausforderung dar. Mit smarter Steuerung und Echtzeit-Informationen sollen diese Herausforderungen künftig in Chancen umgemünzt werden.

In der «Energiezukunft 2050» wurden in einer konservativen Modellierung unidirektionale Flexibilitätsfenster aus der Elektromobilität zur Optimierung des Energiekonsums zur Verfügung gestellt. Dabei wurde ein Teil der Lastspitze durch die Verschiebung oder Verlängerung der Ladung reduziert. Die Modellierung der Flexibilität erfolgte so, dass die Nutzenden keine Verhaltenseinschränkung erfuhren. Das bedeutet schlussendlich keine Einschränkung in der möglichen Reichweite der Fahrzeuge. Die Resultate zeigen, dass die Spitzenlasten dennoch massgeblich reduziert werden konnten. Durch den Speicher in der Garage entsteht also eine Flexibilität, die eine Entlastung des Netzes möglich macht. Weiterentwicklungen der Technologie Richtung Bidirektionalität und Vernetzungen zwischen den Komponenten können die Ladezyklen noch intelligenter gestalten und dadurch das Flexibilitätspotential in der Elektromobilität ausbauen. Insbesondere intelligentes Energiemanagement könnte unter Einbindung der Autobatterie den Eigenverbrauch bei Solaranlagenbesitzer erhöhen.

Entscheidend bei den angesprochenen Lösungen ist die kurzfristige Senkung oder Erhöhung von Lasten. Dies hat zwar einen Einfluss auf die Ladegeschwindigkeit, aber eine Antizipation des Mobilitätsverhaltens ermöglicht eine Verlängerung oder zeitliche Verschiebung des Ladens ohne Einschränkung des angestrebten Akku- respektive Kilometerstands nach Abschluss der Ladung.

Fehlende Anreize für Paradigmenwechsel

Aktuell ermöglicht der technologische Fortschritt die Implementierung der Vehicle-to-building-Lösungen ab ca. 2025. Weit verbreitete Ladestationsanbieter haben bidirektionale Ladestationen bereits angekündigt und stellen ihre Geschäftsaktivitäten auf den Paradigmenwechsel ein. Ein Teil der zu erwartenden Netzengpässe können durch die Technologie vermieden werden. Um aggregiertes bidirektionales Laden markt-, netz- und systemdienlich anzubieten, fehlen aber aktuell noch klare Anreize wie z.B. flexible Netztarife und Zusammenarbeitsmodelle. Zudem ist die Schnittstelle zwischen Netzbetreiber und Endkunde bezüglich flexibler Lasten nicht standardisiert. Die ISO 15118-20 und der OCPP-Standard decken einen wichtigen Teil der Standardisierung ab und müssen konsequent weiterentwickelt werden. Dies würde beispielsweise eine netzoptimierte Steuerung auf lokaler Basis ermöglichen.

Auch die Politik hat die Chancen des bidirektionalen Ladens erkannt. Ein Postulat mit dem Titel «V2X- ("vehicle to grid") und Smart-Charging-Technologien. Batterien von Elektrofahrzeugen nutzen, um Energie zu speichern und Stromnetze auszugleichen» wurde im Juni dieses Jahres eingereicht und bezieht sich auf die Einspeisung von Energie ins Stromnetz. Die technologische Entwicklung schreitet in dieser Frage jedoch einmal mehr schneller voran als die Anpassung der regulatorischen Vorgaben.