Schnellladeinfrastruktur für Batterie-LKWs entlang von Autobahnen: Vermeidung von Lastspitzen mittels Photovoltaik-Anlagen, Batteriespeicher und Ladekoordination

Abstract

Für die Dekarbonisierung des LKW-Frachtverkehr müssen Alternativen zu Diesel- LKWs eingesetzt werden. Fahrzeughersteller von elektrifizierten LKWs versprechen beeindruckende Reichweiten von bis zu 800 km und Ladezeiten von unter einer Stunde. Die benötigte Ladeleistung kann jedoch zu hohen Lastspitzen führen. Eine Möglichkeit, Lastspitzen zu vermeiden, besteht im gezielten Einsatz von dezentral- isierten Photovoltaik-Anlagen und Batteriespeichern vor Ort mit Ladekoordination. Das Ziel der Arbeit ist, die Ausbaukapazitäten von Photovoltaik-Anlagen, Batteriespeicher und Netzanschluss an Rastplätzen kostenoptimal zu dimensionieren um den Ladebe- darf der elektrifizierten LKWs verzögerungsfrei decken zu können. Dabei werden drei Rastplätze in Österreich untersucht. Um den eLKW-Verkehr in Österreich zu model- lieren, wurden Verkehrsprofile basierend auf vorhandenen Verkehrsdaten erstellt. Es wurde angenommen, dass 3.75% der Fahrzeuge die den Rastplatz passieren, während der Hauptverkehrszeit zum Laden halten. Insgesamt wurden drei Ausbauszenar- ien untersucht: Ausbau der Kapazitäten von Photovoltaik-Anlagen, Batteriespeicher und Netzanschluss; Ausbau der Kapazität des Netzanschlusses; kein Ausbau. Er- folgt kein Ausbau zeigt sich, dass die Infrastrukur an Rastplätzen mit mittlerem und höherem Verkehrsaufkommen deutlich unterdimensioniert ist und teilweise saisonal über 30% des Ladebedarfs nicht decken kann, was einen Ausbau der Infrastruktur unabdingbar macht. Der Ausbau der Netzanschlusskapazität gegenüber dem Aus- bau der Kapazitäten von Netzanschluss, Photovoltaik-Anlagen und Batteriespeicher zeigt, dass im zweiten Fall deutlich höhere Investitionskosten entstehen. Die Investitio- nen amortisieren sich jedoch rasch, und ermöglichen eine dauerhafte Verminderung der Strombezugskosten. Die Untersuchungen zeigen zudem die Notwendigkeit der Berücksichtigung der Temperatur bei der Ermittlung des Ladebedarfs, da saisonale Abweichungen signifikant sind (bis 25%). Photovoltaik-Anlagen erweisen sich als prof- itabel, da sie einen beträchtlichen Beitrag zur Deckung des Ladebedarfs liefern und in Überschusszeiten Einnahmen generieren. Die Ermittlung der sinnvollen Lastdeckung zeigt für den untersuchten Standort, dass bei einer Unterdimensionierung von 10% der ermittelten Ausbaukapazität lediglich an 10 Tagen eine Verzögerung von maximal 15 Minuten auftritt. Dadurch werden über 300k€ Ausbaukosten gegenüber verzögerungs- freiem Laden eingespart. Zudem zeigt sich, dass mit der steigenden Entfernung zum Umspannwerk und den damit steigenden Ausbaukosten der Netzanschlusskapazität, vermehrt Batteriespeicher verbaut wird, welcher aber nicht wirtschaftlich rentabel ist.

For the decarbonization of truck freight transport, alternatives to diesel trucks must be employed. Manufacturers of electrified trucks promise impressive ranges of up to 800 km and charging times of less than an hour. However, the required charging power can lead to high peak loads. One way to avoid peak loads is through the targeted use of decentralized on-site photovoltaic systems and battery storage with charging coordination. The aim of the thesis is to dimension the expansion capacities of photovoltaic systems, battery storage, and grid connections at rest areas in a cost- optimal way to seamlessly meet the charging needs of electrified trucks. Three rest areas in Austria are examined. To model e-truck traffic in Austria, traffic profiles were created based on existing traffic data. The turning probability of vehicles at the rest areas was assumed to be 3.75% during peak traffic hours. Three expansion scenarios were investigated: expansion of capacities of photovoltaic systems, battery storage, and grid connection; expansion of grid connection capacity; no expansion. If no expansion takes place, the infrastructure at rest areas with medium and higher traffic volumes is clearly undersized and can, in some cases, fail to cover over 30% of the charging demand seasonally, necessitating infrastructure expansion. When expanding grid connection capacities compared to expanding the capacities of grid connection, photovoltaic systems, and battery storage, it is evident that while significantly higher investment costs are incurred in the second case, the investments quickly amortize and offer a permanent, substantial reduction in electricity procurement costs. The investigations also highlight the necessity of considering temperature, as seasonal variations are significant (up to 25%). Photovoltaic systems prove to be profitable as they make a substantial contribution to covering charging needs and generate income during surplus periods. The determination of sensible load coverage shows that at an underdimensioning of 10% of the determined expansion capacity, there is only a delay of a maximum of 15 minutes on 10 days for the investigated location. This results in saving over 300k€ in investment costs compared to expansion for delay-free charging. Additionally, it is observed that with increasing distance to the substation and the consequent increase in expansion costs of grid connection capacities, battery storage is increasingly installed, but it is not economically viable.