Kielflex - Kiel als Vorbild für die Errichtung von Ladeinfrastruktur in einem flexiblen Stromnetz zur Umsetzung einer Emissionsreduktion im Transportsektor

Abstract

Das Projekt Kielflex hat sich zum Ziel gesetzt, verkehrstechnisch bedingte Emissionen, insbesondere NOx, zu reduzieren. Hierbei wurde sowohl der innerstädtische Verkehr mit dem Fokus auf Individualverkehr und ÖPNV (öffentlichen Personennahverkehr) einbezogen und Maßnahmen zur Erhöhung der Elektrifizierung untersucht, umgesetzt und evaluiert sowie demonstriert. Zur Gewährleistung eines sicheren und nachhaltigen Betriebs des Gesamtsystems unter Berücksichtigung der Gegebenheiten der elektrischen Infrastruktur wurden weitere Maßnahmen innerhalb des Vorhabens umgesetzt, welche eine integrierte, optimale Standortplanung für Ladestellen beinhaltet, die sowohl die Gegebenheiten der elektrischen als auch der verkehrstechnischen Infrastruktur berücksichtigt. Darüber hinaus wurden Maßnahmen zur Sicherstellung der Qualität im elektrischen Netz untersucht und exemplarisch umgesetzt, wie bspw. die Integration leistungselektronischer Komponenten und Speichersysteme bzw. der Einsatz angebundener elektrischer (mobiler) Verbraucher als flexible Last. Für die Überwachung und Steuerung des Gesamtsystems wurde innerhalb des Vorhabens ein E-Mobility-Management-System entwickelt, integriert und mit dem Gesamtsystem getestet, welches es erlaubt, den Gesamtzustand des elektrischen und verkehrstechnischen Systems zu erfassen und ggf. erforderliche Maßnahmen für den optimierten Systembetrieb abzuleiten. Entsprechend dieser Maßnahmen wurden integrierte Systemkomponenten gesteuert bzw. beeinflusst, um einen optimalen Systembetrieb sicherzustellen. Darüber hinaus wurde mit dezidierten Demonstratoren die Funktionalität des Gesamtsystems, sowie dessen Komponenten und deren Zusammenspiel dem Fachpublikum sowie dem interessierten Nutzer präsentiert. Um die innerstädtische NOx-Belastung in der Landeshauptstadt Kiel kurzfristig und nachhaltig zu senken, hat sich das Vorhaben Kielflex als grundsätzliches Ziel gesetzt, durch wissenschaftliche Untersuchung und deren praktische Demonstration sowie durch Feldtests auf kommunaler Ebene zu zeigen, dass durch die intelligente Nutzung der geplanten Ladeinfrastruktur eine Minimierung des notwenigen Netzausbaus möglich ist. Die Einbindung von Flexibilität in das Kieler Stromnetz ist die Schlüsselidee und hebt Kiel in eine Vorbildfunktion für Deutschland. Übergeordnetes Ziel des Kielflex-Projektes ist es, durch ein intelligentes Netzmanagement den Ausbau der Ladeinfrastruktur und die Elektrifizierung des städtischen ÖPNV mit der vorhandenen Infrastruktur des Kieler Stromnetzes zu erreichen, sodass diese Maßnahmen ohne Netzausbau und daher als Sofortmaßnahmen umgesetzt werden können. Es wurden dabei folgende Aspekte berücksichtigt: • Verbesserung der städtischen Luftqualität durch die Elektrifizierung der Mobilität • Erhöhung der Integration der volatilen Energieerzeugung durch die Steigerung der Flexibilitätsoptionen in städtischen Systemen • Untersuchung der Flexibilität geeigneter Lasten sowohl als Option für die Integration der volatilen erneuerbaren Energie als auch für netzdienstliche Anwendungen. Das intelligente Netzmanagement beinhaltet dabei folgende Maßnahmen: • als "dezentralisierter" Ansatz durch die Nutzung von kleineren Speichersystemen an Ladestationen, die nicht nur als klassische Leistungsspeicher den Spitzenleistungsbedarf abfangen, sondern auch als Spannungsregler durch ein intelligentes Steuerkonzept das Spannungsprofil im Netz beeinflussen können. Diese Funktion wirkt als Multiplikator der installierten Speicherleistung zur Maximierung der Anschlussleistung der Ladeinfrastruktur • als "zentralisierter" Ansatz durch die Nutzung von großen Lasten, die keine außergewöhnlichen Anforderungen haben und als Dämpfungslast in transienten Vorgängen gemäß des "Electric Spring" Konzepts genutzt werden, um der Belastung durch Ladeprozesse von Elektrofahrzeugen in Phasen starker Netzauslastung entgegenzuwirken. Der Leuchtturmcharakter des Kielflex-Projektes wurde durch die inhaltliche Organisation anhand von Use und Show Cases sichergestellt. Dabei ergeben sich folgende Show-Cases: Show-Case Betriebshof Stadtwerke Kiel, Show-Case Supermarkt, Show-Case Quartierslösung (Proof-of-Concept), perspektivisch: Show-Case Betriebshof KVG (ÖPNV). Die wesentlichen Ergebnisse des Projektes Kielflex auf Verbundebene sind: • Zielgerichteter Ausbau der Ladeinfrastruktur (Garagenhof Wohnungswirtschaft, Hotel); Showcase Supermarkt mit Ladepunkten im nicht-öffentlichen Raum • Aufbau eines Ladeparks am Betriebshof der Stadtwerke Kiel AG mit dynamischem Lastmanagement und Priorisierungssystem für Firmenfahrzeugflotte (Show Case Betriebshof), Gäste und Mitarbeiter • Schaffung eines intelligenten E-Mobility-Management-Systems • Verfahren für einen sicheren Betrieb des Stromnetzes durch Netzdienstleistungen mittels Ladeinfrastruktur und somit auch eine Sicherstellung ausreichender Ladeleistungen an den erforderlichen Standorten (Showcase Quartierslösung) • Entwicklung und Umsetzung eines Smart Transformator Labordemonstrators auf Basis von industriellen Stromrichterkomponenten mit geeignetem Sicherheits- und Betriebsführungs- sowie Regelungskonzept • Aufbau einer Evaluationsumgebung zur Implementierung intelligent gesteuerter Ladeinfrastruktur und Aggregatoren mittels eines geografisch verteilten Power-Hardware-in-the-Loop-Testaufbaus Die wissenschaftlichen Projektziele stehen in unmittelbarem Zusammenhang mit den vorgestellten förderpolitischen Zielen im Bereich der NOx-Reduzierung in Städten und vor allem auch mit der Integration der Elektrofahrzeuge und Ladestationen inklusive der Nutzung des ÖPNV und einer damit einhergehenden erforderlichen, zu verändernden und zu optimierenden Netzbetriebsführung. Somit sind sowohl die Zusammenführung der einzelnen Forschungspotenziale der beteiligten Projektpartner als auch die aus dem Projekt resultierende wissenschaftliche Weiterverwertung erreichter Ergebnisse genau im Sinne der Zielstellung des fortlaufenden Energiewendeprozesses. Die geplanten FuE-Ergebnisse sind als nutzbringend für Unternehmen vornehmlich der Energiewirtschaft anzusehen, da auf der einen Seite langfristig weitere Netzdienstleistungen bereitgestellt werden können, die innerstädtischen Energiepreise potentiell sinken und durch die Elektrifizierung des ÖPNV ein neues Geschäftsfeld entsteht, was somit Chancen für die Gewinnung zusätzlicher Arbeitsplätze entstehen lässt. Ein zusätzliches Marktpotenzial, verbunden mit Kapazitätserweiterungen der Unternehmen, wird erschlossen. Neben den nationalen wirtschaftlichen Effekten ergeben sich auch internationale Transfermöglichkeiten der FuE-Ergebnisse. Darüber hinaus sollen Nachfolgeprojekte generiert werden, die auf dem Erkenntnisgewinn der hier beschriebenen Entwicklung basieren. Der Forschungsstandort Kiel wird nachhaltig gestärkt und kann sein Kundenprofil erweitern. Datei-Upload durch TIB The KielFlex project has set itself the goal of reducing traffic-related emissions, particularly NOx. This includes both inner-city traffic with a focus on private transport and local public transport and measures to increase electrification are being investigated, implemented, evaluated and demonstrated. To ensure safe and sustainable operation of the overall system, taking into account the conditions of the electric infrastructure, further measures have been implemented within the project, which include integrated, optimal location planning for charging stations that takes into account both the conditions of the electric and traffic infrastructure. In addition, measures to ensure the quality of the electric grid have been investigated and implemented as examples, such as the integration of power electronic components and energy storage systems or the use of connected (mobile) consumers as flexible loads. For the monitoring and control of the overall system, an e-mobility management system has been developed, integrated and tested with the overall system within the project, which allows the overall status of the electric and traffic system to be recorded and any necessary measures for optimized system operation to be derived. Integrated system components are controlled or influenced in accordance with these measures in order to ensure optimum system operation. In addition, dedicated demonstrators have been used to present the functionality of the overall system, its components and their interaction to the specialist audience and interested users. In order to reduce inner-city NOx pollution in the state capital of Kiel in the short and long term, the KielFlex project has set itself the fundamental goal of showing, through scientific research and practical demonstration as well as field tests at municipal level, that the intelligent use of the planned charging infrastructure can minimize the necessary grid expansion. The integration of flexibility into Kiel's electric grid is the key idea and can make Kiel a role model for Germany. The overarching goal of the KielFlex project is to achieve the expansion of the charging infrastructure and the electrification of urban public transport with the existing infrastructure of Kiel's electric grid through intelligent grid management, so that these measures can be implemented without grid expansion and therefore as immediate measures. The following aspects are taken into account: • Improving urban air quality through the electrification of mobility • Increasing the integration of volatile energy generation by increasing flexibility options in urban systems • Investigating the flexibility of suitable loads both as an option for the integration of volatile renewable energy and for grid service applications. Smart grid management has been implemented through the following measures: • as a "decentralized" approach through the use of smaller energy storage systems at charging stations, which not only absorb peak power demand as classic power storage units, but can also influence the voltage profile in the grid as voltage regulators through an intelligent control concept. This function acts as a multiplier of the installed storage capacity to maximize the connected load of the charging infrastructure • as a "centralized" approach by using large loads that do not have exceptional requirements and are used as a damping load in transient processes according to the "Electric Spring" concept to counteract the load caused by charging processes of electric vehicles in phases of high grid utilization. The pace making character of the KielFlex project was ensured by organizing the content on the basis of use and show cases. This resulted in the following show cases: show case depot Stadtwerke Kiel, show case supermarket, show case neighbourhood solution (proof of concept), perspective: show case depot KVG (public transport). The main results of the KielFlex project at network level are • Targeted expansion of the charging infrastructure (garage depot housing industry, hotel); showcase supermarket with charging points in non-public areas • Construction of a charging park at the Stadtwerke Kiel AG depot with dynamic load management and prioritization system for the company vehicle fleet (depot showcase), guests and employees • Creation of an intelligent e-mobility management system • Procedure for secure operation of the electricity grid through grid services by means of charging infrastructure and thus also ensuring sufficient charging capacity at the required locations (showcase district solution) • Development and implementation of a smart transformer laboratory demonstrator based on industrial power converter components with a suitable safety, operational management and control concept • Development of an evaluation environment for the implementation of intelligently controlled charging infrastructure and aggregators using a geographically distributed power-hardware-in-the-loop test setup The scientific project objectives are directly related to the presented funding policy objectives in the field of NOx reduction in cities and, above all, to the integration of electric vehicles and charging stations, including the use of public transport and the associated need to change and optimize network operation management. Thus, both the combination of the individual research potentials of the project partners involved and the further scientific utilization of the results achieved from the project are precisely in line with the objectives of the ongoing energy transition process. The planned R&D results are to be seen as beneficial for companies, primarily in the energy industry, as further grid services can be provided in the long term, inner-city energy prices can potentially fall and the electrification of local public transport will create a new business area, thus creating opportunities for the creation of additional jobs. Additional market potential, combined with capacity expansions for the companies, will be tapped into. In addition to the national economic effects, there are also international transfer opportunities for the R&D results. In addition, follow-up projects are to be generated based on the knowledge gained from the development described here. Kiel as a research location will be sustainably strengthened and can expand its customer profile.