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Elektrofahrzeuge können einen erheblichen Teil zur klimaneutralen Zukunft der Mobilität beitragen – da sind sich Politik, Wirtschaft und Wissenschaft einig. Doch wie dieser Beitrag genau aussieht und an welcher Stelle hier angesetzt wird, da unterscheiden sich Ideen und Zeitplan. Während die Bundesregierung mithilfe des Gebäude-Elektromobilitätsinfrastruktur-Gesetz (GEIG) Grundlagen einer soliden Ladeinfrastruktur für E-Autos schafft, gibt es auf innovativer Seite hierzu bereits neue Ideen. Diese parallelen Entwicklungen zeigen einmal mehr, wie wichtig der Austausch zwischen Wissenschaft und Politik ist, um Innovationen bestmöglich in den Markt zu bringen und sie nicht durch gutgemeinte, politische Vorfestlegungen zu verhindern.

Eine der Ideen ist es, E-Autos als virtuelle Energiespeicher zu verwenden. Diesen Ansatz haben Prof. Dr. Wolfgang Ketter und Karsten Schroer der Universität Köln detailliert untersucht und uns die Ergebnisse in Rahmen des Mobility-Policy-Newsletters in einem Gastbeitrag zu Verfügung gestellt. Den gemeinsamen Newsletter mit Wunder Mobility können Sie hier abonnieren.

Die COVID-19-Krise hat den Mobilitätssektor tief erschüttert. Nach umfassenden und streng durchgesetzten Sperrmaßnahmen, brach die Mobilitätsnachfrage in einigen Märkten um bis zu 80% oder mehr ein. Die Auswirkungen sind besonders stark bei privat unterstützten plattformbasierten Mobilitätsnetzwerken zu spüren, die auf Wachstum eingestellt sind und oft limitiertes Kapital zur Verfügung haben.

Während die Lockdowns weltweit gelockert werden und die Mobilitätsmärkte auf eine vorsichtige Erholung zusteuern, hat die Krise deutlich gemacht, dass Mobilitätsanbieter in der Regel keine alternativen Einnahmequellen zur Verfügung haben und daher externen Schocks ausgesetzt sind. Unsere Forschung zeigt, dass Mobilitätsplattformen mit Elektrofahrzeugflotten neue Einnahmequellen sein  können, indem sie ihre bestehende Flotte in ein virtuelles Kraftwerk verwandeln. Unser Ansatz stützt sich ausschließlich auf fortschrittliche Analysen und automatisierte Strommärkte und kann in ausgewählten Märkten zusätzliche Gewinnzuwächse von bis zu 4,3% erzielen.

Die betriebswirtschaftliche Logik  virtueller Kraftwerke ergibt sich aus Nachfrage- und Angebotsungleichgewichten auf den Strommärkten, die im Zuge der Energiewende häufiger geworden sind. Mit dem heutigen Trend weg von der top-down vertikal integrierten Erzeugung fossiler Brennstoffe hin zu dezentralen Stromquellen liegen bestimmte Faktoren nicht mehr in der Kontrolle eines Kraftwerksbetreibers. Zum Beispiel kann der Betreiber nicht mit hoher Genauigkeit vorhersagen, wie stark der Wind wehen oder wie lange die Sonne scheinen wird, und es könnte zu großen Schwankungen in der Erzeugungskapazität kommen. In Zeiten, in denen die erneuerbare Leistung gering ist, müssen Ersatzkraftwerke für fossile Brennstoffe oder andere Technologien wie Power2Gas eingesetzt werden, um die Lücke zu schließen. Zu anderen Zeiten, wenn die Leistung hoch ist, müssen Windparks möglicherweise abgeschaltet werden, um das Netz nicht zu überlasten, was sowohl verschwenderisch als auch ineffizient ist. Unsere Forschung zeigt, dass der Einsatz von Elektrofahrzeugen (EVs) als virtuelle Kraftwerke eine entscheidende Rolle bei der Ausbalancierung intelligenter Stromnetze spielen kann, wodurch diese Schlüsselfragen angegangen werden können.

Zwar können einzelne Fahrer einen Unterschied machen, aber die Auswirkungen werden in großem Maßstab viel bedeutender  sein. Aus diesem Grund konzentrierten wir uns in unserer Studie auf das Management von EV-Flotten, die als VPPs organisiert sind.  Wir  analysierten das Potenzial geparkter Fahrzeuge, überschüssige Elektrizität aus dem Netz aufzunehmen, wenn das Energieangebot hoch und die Nachfrage niedrig ist, und Elektrizität durch Entladung wieder in das Netz einzuspeisen, wenn das Angebot niedrig und die Nachfrage hoch ist. Wir fanden heraus, dass solche VPPs sowohl ökologisch vorteilhaft sein können, indem sie die Einschränkung der Windenergie reduzieren, als auch für die Verbraucher vorteilhaft sind, indem sie die Energiekosten senken. Entscheidend ist jedoch, dass sie auch für Flottenbesitzer rentabel sein können, indem sie Autos belasten, wenn die geringe Nachfrage die Spot-Strompreise nach unten treibt, und denselben Strom zu Zeiten, in denen die hohe Nachfrage die Preise in die Höhe treibt, wieder an das Netz verkaufen.

Individuelle Mobilität vs. Netzausgleich – ein Dilemma

Obwohl dies wie eine Lizenz zum Gelddrucken klingen mag, gibt es eine Reihe von spezifischen Herausforderungen, die angegangen werden müssen, wenn wir die EV-Flotte optimal nutzen wollen.

Um die EV-Flotte bestmöglich zu nutzen und gleichzeitig das Kerngeschäft, die Bereitstellung von Mobilität für Menschen, nicht zu gefährden, ist eine sorgfältige und zeitnahe Bewertung des aktuellen und zukünftigen Strom- und Mobilitätsbedarfs erforderlich. Da ein einzelnes Fahrzeug entweder für die Mobilität oder als Teil eines VPP eingesetzt werden kann, können schlechte betriebliche Entscheidungen zu einer Situation führen, in der die Mobilitätsnachfrage nicht erfüllt werden kann oder umgekehrt. Für Flottenbetreiber kulminiert dies in einem komplexen Dilemma, welchem Markt (Energie oder Mobilität) einzelne Fahrzeuge zuzuordnen sind.

Modernste KI-gestützte Prognosewerkzeuge können helfen, dieses Dilemma zu bewältigen. Die räumlich-zeitliche Vorhersage der Mobilitätsnachfrage ist eine zentrale Herausforderung. Letztendlich besteht der Hauptzweck einer Flotte darin, die Mobilität ihrer Benutzer zu gewährleisten. Wird dies versäumt, wirkt sich dies negativ auf das Serviceniveau, die Zufriedenheit der Benutzer und letztlich auf die aus der Mobilität generierten Einnahmen aus. Daraus folgt, dass der Flottenbetreiber genaue Vorhersagen darüber benötigt, wie viele Fahrzeuge genau in einem bestimmten Gebiet zur Vermietung zur Verfügung stehen müssen. Darüber hinaus sind genaue Informationen über die Anzahl der an Ladestationen angeschlossenen Fahrzeuge und deren freie Batteriekapazität erforderlich. Zusätzlich ist eine relative Sicherheit über die zukünftigen Strompreise erforderlich, um fundierte Trade-off-Entscheidungen treffen zu können.

Die besondere Herausforderung dieser gemischten Nutzungsstrategie besteht in der kontinuierlichen und zeitnahen Bewertung von zwei parallelen und sich gegenseitig ausschließenden Marktchancen für die Flotte. Flottenbetreiber müssen Entscheidungen treffen zwischen der Bereitstellung eines EV zur Nutzung, bei der der Standort innerhalb der Stadt eine Rolle spielt und der Abgabe an das Netz. Die Fahrer wollen, dass sich die Autos in der Nähe ihres Abfahrts- oder Ankunftsortes befinden. Im Fall der Abgabe an das Netz spielt der Standort eine geringere Rolle, da die Fahrzeuge an jedem leistungsfähigen Ladepunkt im Verteilungsnetz entladen werden können. Es handelt sich um einen Balanceakt, bei dem Anreize helfen können, wie z.B. die Bereitstellung von freien Fahrminuten, um die Fahrer buchstäblich zu ermutigen, die zusätzliche Meile zu gehen, um Ladepunkte aufzusuchen.

Unsere Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung von automatisierten Entscheidungswerkzeugen, die maschinelles Lernen und mathematische Programmierung nutzen und ein effektives und robustes Management des oben beschriebenen Kompromisses bei gleichzeitiger Maximierung des Serviceniveaus ermöglichen.

Faktoren der Effektivität und die Bedeutung des lokalen Kontexts 

Die Wirksamkeit unserer VPP-Strategie hängt von einer Reihe von Faktoren ab. Ein großes Thema ist die Infrastruktur. Wir brauchen Ladestationen dort, wo die Nachfrage nach EVs am größten ist, da diese Stationen ein kritischer Bestandteil des gesamten virtuellen Kraftwerks sind. Der Standort kann stadtabhängig, umweltabhängig oder sogar saisonabhängig sein, aber er erfordert eine sorgfältige Planung. Und natürlich müssen die Ladestationen bidirektional sein, damit sie eine Batterie nicht nur laden, sondern auch entladen können.

Die Verfügbarkeit der Ladeinfrastruktur ist zwar eine Kernanforderung, aber auch die konsequente Nutzung dieser Infrastruktur ist von entscheidender Bedeutung. Dies bedeutet, dass ein Element der Verhaltensänderung auf Seiten des EV-Nutzers erforderlich ist. In den von uns untersuchten Fällen gab es keinen Anreiz für die Fahrer, die Autos nach der Benutzung in der Nähe einer der Ladestationen zu parken. Um in vollem Umfang davon zu profitieren, muss dieser Verhaltensaspekt vorhanden sein – man möchte die Autos zur Nutzung, aber auch zum Entladen zur Verfügung haben. Sie müssen zur richtigen Zeit geparkt und an das Netz angeschlossen werden, sonst können sie die Vorteile des Energiehandels nicht nutzen.

Spezifikationen, Leistung und Kosten von Batterietechnologien spielen ebenfalls eine entscheidende Rolle. Wir untersuchen die Auswirkungen verschiedener Preiskurven und stellen fest, dass die künftige Batterietechnologie das Gewinnpotenzial von VPPs erheblich steigern kann.

Schließlich spielen lokale Faktoren eine entscheidende Rolle und haben einen direkten Einfluss auf die potenzielle Nutzung der EV-Flotte als VPP. Sowohl die physischen Eigenschaften als auch die Kultur spielen eine große Rolle, da der Erfolg eines VPP davon abhängt, welchen Anteil an nachhaltigen Ressourcen ein Standort in seinem Energiemix hat, sowie von der Höhe der Energiesteuern. Er hängt auch von der Bereitschaft der Menschen ab, Fahrzeuge zu teilen – diese ist in Europa im Allgemeinen viel höher als in den Vereinigten Staaten.

Die Zukunft flottenbasierter VPPs – Besser fühlen, indem man Gutes tut

Flottenbasierte VPPs stellen eine profitable sekundäre Einnahmequelle für Flottenbetreiber dar und sind ein vielversprechender Weg zur Steigerung der Flottenauslastung. Während das Kerngeschäft (und damit der Profitpool) nach wie vor fest auf die Bereitstellung von Mobilitätsdiensten ausgerichtet ist, ermöglichen modernste Prognose- und Optimierungsmethoden den Betreibern die gewinnbringende Erschließung neuer Geschäftsmöglichkeiten, die sich aus der virtuellen Kraftwerkstechnik ergeben. Ein gut gemanagter Fuhrpark kann zu etwas werden, das wir “Besser fühlen , indem wir Gutes tun” nennen. Der Flotteneigentümer tut Gutes, indem er der Gesellschaft einen Dienst erbringt: Er verändert die hohe Volatilität im Netz in ein hohes Maß an Energieunabhängigkeit, um Ausgleichskapazitäten zu schaffen. Gleichzeitig tut er aber auch etwas Gutes für den Geldbeutel seines Unternehmens, indem er ein zweites Geschäftsmodell mit einem alternativen Einkommensstrom schafft.

In einer Folgestudie haben wir das Potenzial flottenbasierter VPPs auf dem Markt für Hilfsdienste zur Frequenzsteuerung bewertet. Wir zeigen eine weitere erhebliche Steigerung des Nettogewinns.

Um sich selbst von den potenziellen Vorteilen von Elektrofahrzeugen als virtuelle Kraftwerke zu überzeugen, besuchen Sie unsere Power TAC-Website (www.powertac.org). Dies ist die weltweit größte kostenlose, quelloffene Smart-Grid-Plattform, mit der Sie diese und eine Reihe anderer Nachhaltigkeitsszenarien testen können.

 

Literaturhinweise:

Kahlen, M., Schroer, K., Ketter, W., Gupta, A., Intelligente Märkte für die Echtzeit-Allokation von Mehrprodukt-Ressourcen: Der Fall der gemeinsam genutzten Elektrofahrzeuge (1. September 2019), online verfügbar unter https://ssrn.com/abstract=3544592

Kahlen, M. T., Ketter, W., und Dalen, J. Van. 2018. “Dilemma virtuelles Kraftwerk Elektrofahrzeug: Netzausgleich versus Kundenmobilität”, Produktions- und Betriebsführung (27:11), S. 2054-2070, online verfügbar unter: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/poms.12876

Leistungs-TAC (https://powertac.org)

 

Prof. Dr. Wolfgang Ketter ist Professor an der Universität zu Köln  für Wirtschaftsinformatik in dem Bereich nachhaltige Gesellschaft. Seine Forschungsschwerpunkte sind der Einsatz von KI, Marktdesign und Großsimulation im Dienste der Nachhaltigkeit in Energie und Mobilität. Er ist Co-Direktor des Instituts für Energiewirtschaft an der Universität zu Köln, Fellow des Global Future Council on Mobility des Weltwirtschaftsforums und regelmäßiger Berater der deutschen Regierung. Über Twitter @wolfketter können Sie sich über die Forschung von Prof. Ketter auf dem Laufenden halten.

Karsten Schroer ist Doktorand am Lehrstuhl von Prof. Ketter für Informationssysteme für eine nachhaltige Gesellschaft. Seine besonderen Forschungsinteressen liegen im Design von datengesteuerten Anwendungen zur Entscheidungsunterstützung und intelligenten Mechanismen, die maschinelles Lernen und mathematische Programmiermethoden nutzen, um ein nachhaltigeres Energie- und Mobilitäts-Ökosystem zu ermöglichen. Karsten Schroer hat einen Abschluss in Maschinenbau von der Universität Cambridge. Er postet regelmäßig Forschungs-Updates über Twitter @KarstenSchroer.

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