Sachbericht zum Projekt eDrivingSchool

Transcrição

Abschlussbericht
zum Förderprojekt
EM2026
eDrivingSchool – Akzeptanzerhöhung und beschleunigte
Markteinführung von Elektrofahrzeugen – Konzept
Fahrschule
Verantwortlich für den Gesamtbericht:
Christian Hain, Hochschule Bochum
Tel.:0234-32 10 694
eDrivingSchool
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Inhaltsverzeichnis
1
Aufgabenstellung............................................................................................................................. 5
2
Stand der Technik vor Projektbeginn .............................................................................................. 6
3
4
2.1
Akzeptanz Elektromobilität ..................................................................................................... 6
2.2
Fahrzeugtechnik ...................................................................................................................... 7
2.3
Ladesäule ............................................................................................................................... 11
2.4
Technische Gebäudeausrüstung (TGA) ................................................................................. 15
Projektverlauf ................................................................................................................................ 21
3.1
Hochschule Bochum .............................................................................................................. 21
3.2
Franz Rüschkamp und Mobile Vielfalt ................................................................................... 36
3.3
Westfälische Hochschule....................................................................................................... 36
3.4
H&V Energietechnik .............................................................................................................. 40
Forschungsergebnisse ................................................................................................................... 43
4.1
4.1.1
Akzeptanzsteigerung Elektromobilität .......................................................................... 43
4.1.2
Aufbau von Know-how im Bereich Datenlogging.......................................................... 45
4.1.3
Curricularer Leitfaden für Elektromobilität ................................................................... 46
4.2
4.2.1
Akzeptanzerhöhung....................................................................................................... 46
4.2.2
Aufbau von Know-how im Bereich Elektromobilität ..................................................... 46
4.3
4.3.1
Kopplung von TGA und Elektrofahrzeug ....................................................................... 47
4.3.2
Geschäftsplan und Finanzierungskonzept ..................................................................... 55
4.4
4.4.1
Regelbetrieb eines batteriebetriebenen Kleintransporters .......................................... 56
4.4.2
Aufbau von Know-how im Bereich Systemintegration ................................................. 56
5
Beitrag zu den förderpolitischen Zielen ........................................................................................ 58
6
Ergebnisverwertung ...................................................................................................................... 59
7
2
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
Darstellung des Projekts in der Öffentlichkeit ...................................................................... 62
Zusammenfassung der Ergebnisse ................................................................................................ 65
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Abbildungsverzeichnis
Abbildung 2-1: Zulassungszahlen Elektrofahrzeuge ...................................................................... 6
Abbildung 2-2: Zentraler Antriebsstrang Batterie-Elektrofahrzeuge ............................................... 7
Abbildung 2-3: Peugeot iOn (links) und Schnittbild Peugeot iOn (rechts, Quelle: PSA Deutschland) ... 8
Abbildung 2-4: Traktionsbatterie Peugeot iOn ............................................................................. 9
Abbildung 2-5: Systemtopologie Batterie-Management ............................................................... 9
Abbildung 2-6: Kombinationsinstrument (links) und Topologie Ladezustandsbestimmung (rechts) ...10
Abbildung 2-7: Peugeot Partner Origin Electric Venturi ...............................................................10
Abbildung 2-8: CHAdeMO-Schnellladesäule ...............................................................................12
Abbildung 2-9: Ladestecker Typ1 (links) und Typ2 (rechts) ...........................................................12
Abbildung 2-10: Ladeanschlüsse Peugeot iOn Typ1 (links) und CHAdeMO (rechts) .........................13
Abbildung 2-11: Ladebuchse und Ladestecker Peugeot Partner Origin Electric Venturi ...................13
Abbildung 2-12: Bruttostromverbrauch 1990-2013 in Deutschland ...............................................14
Abbildung 2-13: Betriebsgelände der Firma Rüschkamp in Lünen (Luftbild) ...................................15
Abbildung 2-14: Plan der PV-Anlage der Firma Rüschkamp in Lünen .............................................16
Abbildung 2-15: Betriebsgelände der Firma H&V in Nordkirchen (Luftbild) ....................................16
Abbildung 2-16: Neues Betriebsgebäude der Firma H&V .............................................................17
Abbildung 2-17: BHKW der Firma H&V, Typ ETA F 2900 ...............................................................17
Abbildung 2-18: Luft-Wärmepumpe und Pufferspeicher ..............................................................18
Abbildung 2-19: Wertvergleich Einspeisung gegenüber Eigennutzung von BHKW-Strom .................19
Abbildung 2-20: Wertvergleich Einspeisung gegenüber Eigennutzung von PV-Strom ......................20
Abbildung 3-1: Doppelbedienung im Peugeot iOn.......................................................................21
Abbildung 3-2: Microcontroller-basierte Einschaltelektronik (Auszug) ...........................................23
Abbildung 3-3: Struktur Datenlogging........................................................................................24
Abbildung 3-4: Programmfenster BOlogging-Software ................................................................25
Abbildung 3-5: Betriebsbereiter Datenlogger im Fahrschulfahrzeug ..............................................27
Abbildung 3-6: Aufbau eines CAN-Data-Frames ..........................................................................27
Abbildung 3-7: HV-ECU Peugeot iOn .........................................................................................28
Abbildung 3-8: Kommunikationsschnittstelle Peugeot Partner Origin Electric Venturi .....................28
Abbildung 3-9: Aufgezeichnete CAN-Nachrichten Peugeot iOn .....................................................29
Abbildung 3-10: Matlab-Oberfläche (Hier: Auswertung SOC) .......................................................32
Abbildung 3-11: Plot Ladezyklus Peugeot iOn .............................................................................32
Abbildung 3-12: Plot Ende Ladezyklus Peugeot iOn .....................................................................33
Abbildung 3-13: Plot Fahrzyklus Peugeot iOn .............................................................................34
Abbildung 3-14: Plot Heizleistung und Innenraumtemperaturverlauf Peugeot iOn .........................34
Abbildung 3-15: Exemplarische Route des Fahrzeugs im Handwerkereinsatz .................................34
Abbildung 3-16: Plot Ladezustand Peugeot Partner Origin Electric Venturi ....................................35
Abbildung 3-17: Plot Ladezyklus Peugeot Partner Origin Electric Venturi .......................................35
Abbildung 3-18: Steckbrief PV-Anlage und Batteriespeicher in Nordkirchen...................................37
Abbildung 3-19: Grundpanel GIRA HomeServer ..........................................................................38
Abbildung 3-20: Lastgänge des BHKW, der Wärmepumpe und der Haustechnik am 27.3.2014 ........38
Abbildung 3-21: Elektrischer und thermischer Lastgang des BHKW am 27.3.2014...........................39
Abbildung 3-22: Ladevorgang BEV an 27.3.2014 .........................................................................39
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Abbildung 3-23: Ladesäule mit Fahrzeug vor dem Betrieb in Nordkirchen......................................41
Abbildung 3-24: Fahrtrouten Peugeot Partner vom 21.10.2014 - 24.10.2014 .................................42
Abbildung 4-1: Ergebnis Vorkenntnisse Elektromobilität..............................................................43
Abbildung 4-2: Ergebnis Spaßfaktor "Elektrofahrzeug" ................................................................43
Abbildung 4-3: Ergebnis Empfehlung Elektrofahrzeug .................................................................44
Abbildung 4-4: Ergebnis Vor- und Nachteile Elektrofahrzeuge ......................................................44
Abbildung 4-5: Ergebnis Motivation zum Kauf eines Elektrofahrzeugs ...........................................45
Abbildung 4-6: Ergebnis Kaufanreiz Elektrofahrzeug ...................................................................45
Abbildung 4-7: Skizze des Gesamtsystems in Nordkirchen ...........................................................47
Abbildung 4-8: Plan der Wärmeanlagen in Nordkirchen ..............................................................48
Abbildung 4-9: Lastgangkurven - Erklärung der Abkürzungen .......................................................48
Abbildung 4-10: Lastgangkurven in Nordkirchen vom 27.10. - 3.11.2014 .......................................49
Abbildung 4-11: Lastgangkurven in Nordkirchen am 27.10.2014...................................................49
Abbildung 4-12: Variantenbildung Datenlogger ..........................................................................50
Abbildung 4-13: Datenlogging und Datenauswertung - Stand April 2014 .......................................54
Abbildung 4-14: GIRA HomeServer 4.0 ......................................................................................57
Abbildung 6-1: Fuhrpark der H&V Energietechnik .......................................................................61
Abbildung 6-2: Teilnahme an der Tour de Ruhr 2014...................................................................62
Abbildung 6-3: Filmaufnahmen und Sendung, Lokalzeit Dortmund des WDR am 22.4.2013 .............63
Abbildung 6-4: Poster-Session auf der Smart Energy 2014 am 27.11.2014 .....................................64
Abbildung 6-5: Poster für die NRW-Kompetenztreffen zur Elektromobilität 2013 und 2014 .............64
Abbildung 7-1: Fototermin des Konsortiums am 29.11.2013 ........................................................65
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Aufgabenstellung
Das Projekt eDrivingSchool, gefördert durch das Land NRW – Rationelle Energieverwendung,
regenerative Energien und Energiesparen (progres.nrw) und des Europäischen Fonds für regionale
Entwicklung (EFRE) – Ziel 2, ist ein Fahrschulkonzept zur Akzeptanzerhöhung und beschleunigten
Markteinführung von Elektrofahrzeugen.
Das Ziel der Studie zum Einsatz von Elektrofahrzeugen in der Fahrschulausbildung sind
wissenschaftlich und wirtschaftlich verwertbare Erkenntnisse, die Wege zu einer beschleunigten
Markteinführung von Elektrofahrzeugen durch Early Adopters am Elektromobilitätstandort
Nordrhein-Westfalen aufzeigen. Die wissenschaftliche Studie beinhaltet zur besseren
Extrapolierbarkeit und Umsetzbarkeit der Ergebnisse auch die Untersuchung eines Kleintransporters
mit Elektroantrieb im gewerblichen Betrieb.
Beide Pilotvorhaben sehen die Verbindung von Mobilität und Wohnen als Kopplung eines
Elektrofahrzeugs mit einem von regenerativen Energien versorgten Gebäude mit Wärmebedarf
(PlusEnergiehaus) im lokalen Netzverbund vor. Diese Verbindung relativiert als
betriebswirtschaftliches Gesamtkonzept die heute noch relativ hohen Anschaffungskosten von
Elektrofahrzeugen, erleichtert so die betriebswirtschaftliche Amortisation und steigert die
Energieeffizienz.
Das Ergebnis ist ein umsetzungsfähiger Geschäftsplan samt Finanzierungskonzept.
Aufgabe der Hochschule Bochum war das Erstellen eines Schulungskonzeptes für Elektromobilität in
Fahrschulen und das Erarbeiten eines Leitfadens für die theoretische Fahrausbildung. Zudem galt es,
das vom Projektpartner Autohaus Rüschkamp zur Verfügung gestellte Elektrofahrzeug Peugeot iOn
auf Doppelbedienung umzurüsten. Zur Kopplung von technischer Gebäudeausrüstung und Fahrzeug
war es die Aufgabe der Hochschule Bochum, ein Datenlogger-System für die Fahrzeuge aufzubauen,
das den Ladezustand der Fahrzeugbatterie aufzeichnet und an einen Server übermittelt. Die
Hochschule Bochum hat im Rahmen des Projekts die Konsortialführung übernommen.
Die Rolle der Franz Rüschkamp GmbH und Co. KG war die Bereitstellung der beteiligten Fahrzeuge
und der eigenen Haustechnik zur Herstellung regenerativ erzeugten Stroms sowie die technische
Betreuung der Fahrzeuge während des Projekts. Die Fahrschule „Mobile Vielfalt“ benötigte ein
geeignetes Schulungsfahrzeug, die Firma H&V einen Kleintransporter als Dienstleistungsfahrzeug.
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Stand der Technik vor Projektbeginn
Im folgenden Kapitel wird der Stand der Technik vor Projektbeginn beschrieben. Hierbei erläutert die
Hochschule Bochum im Einzelnen die Ausgangssituation hinsichtlich der Akzeptanz der
Elektromobilität innerhalb der Bevölkerung sowie den Stand der Technik bei Elektrofahrzeugen,
Ladesäulen und der technischen Gebäudeausrüstung.
Die Franz Rüschkamp GmbH und Co. KG verkauft u.a. Fahrzeuge der Firma Peugeot und gilt als
Pionier der Elektromobilitätsbewegung im östlichen Ruhrgebiet und länger noch im Münsterland
(Stammsitz). Aus dem Angebot des Autohauses eignete sich der Peugeot iOn als viersitziger und
viertüriger PKW mit einer Maximalgeschwindigkeit von 130 km/h als Fahrschulwagen. Für die
Monteure der Firma H&V konnte ein Kastenwagen Peugeot Partner Origin Electric Venturi zur
Verfügung gestellt werden. Beide Fahrzeuge haben einen rein batterieelektrischen Antrieb.
Auch das Gebäude des Autohauses in Lünen ist mit einer Photovoltaikanlage ausgestattet sowie
durch die Stadtwerke Lünen mit einem Blockheizkraftwerk (Fernwärme) verbunden.
2.1 Akzeptanz Elektromobilität
Das übergeordnete Ziel des Integrierten Energie- und Klimaprogramms der Bundesregierung und des
daraus angeleiteten Nationalen Entwicklungsplans Elektromobilität ist, dass bis zum Jahr 2020 eine
Million Elektrofahrzeuge auf Deutschlands Straßen fahren. Das derzeitige Straßenbild lässt diese
Zielsetzung als sehr hochgesteckt erscheinen. Die jährlich erhobenen Daten des
Kraftfahrtbundesamtes (KBA) in Abbildung 2-1 zeigen, dass aktuell nur etwa 0,012% dieser
Zielsetzung erreicht sind. Zu Projektbeginn im Jahr 2012 waren nur 4.541 und im Jahr 2014 12.156
Fahrzeuge mit Batterie-elektrischem Antrieb in Deutschland zugelassen. Diesen Zahlen stehen über
43 Millionen zugelassene Personenkraftwagen insgesamt gegenüber.
Abbildung 2-1: Zulassungszahlen Elektrofahrzeuge
Die Akzeptanz für Elektrofahrzeuge ist in der Bevölkerung also noch sehr gering ausgeprägt, wenn
auch mit steigender Tendenz. Zu Beginn der dargestellten Periode war die Vielfalt an
Elektrofahrzeugen stark eingeschränkt. Aktuell platzieren die Automobilhersteller, insbesondere
Hersteller aus Deutschland, eine größere Auswahl an Fahrzeugen auf dem Markt. Es ist davon
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auszugehen, dass hierdurch der positive Trend nicht nur erhalten bleibt sondern zunimmt. Für das
abgelaufene Jahr 2014 ist mit einer weiteren Verdoppelung der Zulassungszahlen von
Elektrofahrzeugen zu rechnen. Die Technologie für den elektrifizierten Antriebsstrang, also
Energiespeicher, Leistungselektronik, Antriebsmaschine und auch die Ladeinfrastruktur sind in Ihren
Grundlagen entwickelt. Dennoch existiert ein Optimierungspotential in allen Bereichen, vor allem
hinsichtlich der Vergrößerung der Reichweite und dem Ausbau der Ladeinfrastruktur, damit die
Vorurteile gegen die Elektromobilität entkräftet werden. Meist erfolgt die Argumentation gegen
Elektrofahrzeuge von Personen, die nie selbst eines dieser Fahrzeuge bewegt haben und weiterhin
den Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor vorziehen. Es hat sich in der Vergangenheit als äußerst
schwierig dargestellt, diese Personengruppe zum Probefahren eines Elektrofahrzeugs zu bewegen.
Auch ist die Affinität zu neuen Technologien nicht so stark ausgeprägt wie bei jüngeren
Generationen. Daher wählte das Demonstrationsvorhaben eDrivingSchool den Ansatz, junge
Menschen bereits in der Fahrausbildung erste Erfahrungen mit der Elektromobilität sowohl im
Theorie- als auch im Praxisunterricht sammeln zu lassen. Diese Form der Ausbildung war zum
Zeitpunkt der Antragsstellung in Deutschland nicht vorhanden.
2.2 Fahrzeugtechnik
Das Angebot von Elektrofahrzeugen hat auf dem deutschen Automobilmarkt in den letzten Jahren
zugenommen. Während in der jüngeren Vergangenheit meist Serienfahrzeuge mit einem
elektrischen Antriebsstrang nachgerüstet wurden, bieten die Automobilhersteller inzwischen SerienElektrofahrzeuge in vielen Klassen vom Kleinwagen bis zum Sportcoupe an. Allen Fahrzeugen ist
gemein, dass ein zentraler Antrieb, also ein Elektromotor mit angekoppeltem Getriebe und
Differential eingesetzt wird. Nur Prototypen und Versuchsfahrzeuge werden mit dezentralen
Antrieben, also Radnahen- bzw. Radnabenantrieben ausgerüstet. Der grundlegende Aufbau des
Antriebsstrangs ist in Abbildung 2-2 dargestellt.
Abbildung 2-2: Zentraler Antriebsstrang Batterie-Elektrofahrzeuge
Von zentraler Bedeutung für das Projekt eDrivingSchool ist der Energiespeicher. Daher wird an dieser
Stelle auch nur die Traktionsbatterie kurz erörtert.
Als Energiespeicher werden von den Fahrzeugherstellern Traktionsbatterien auf Lithium-Basis
bevorzugt verwendet, da diese den derzeit optimalen Kompromiss zwischen Haltbarkeit,
Energiegehalt, Sicherheit, Leistungsfähigkeit, Kosten und Gewicht darstellen. Üblicherweise liegen
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die Nennspannungen dieser Batterien oberhalb von 300V. Der Energieinhalt liegt je nach
Fahrzeugtyp zwischen 16kWh und 23kWh, wodurch Reichweiten zwischen 120km und 200km
(Herstellerangaben) realisierbar sind. Eine Ausnahmeposition nehmen hier Fahrzeuge des Herstellers
Tesla Motors ein, deren großen Batteriepakete (65kWh und 85kWh) Reichweiten von mehr als
400km ermöglichen. Für das klassische Stadtfahrzeug sind diese Energiespeicher jedoch unpraktisch,
da mit der großen Kapazität auch ein erhebliches Mehrgewicht verbunden ist. So würde der
durchschnittliche Energieverbrauch von aktuell etwa 13,5kWh/100km auf mehr als 20kWh/100km
erhöht.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde vom Projektpartner Autohaus Rüschkamp das
Elektrofahrzeug Peugeot iOn kostenfrei zur Verfügung gestellt. Es handelt sich hierbei um einen
viersitzigen Kleinwagen mit Heckantrieb und einstufigem Automatikgetriebe. Damit entspricht das
Fahrzeug den Anforderungen an Fahrzeuge für die Fahrausbildung und der Richtlinie für die
Begutachtung von Personenkraftwagen auf ihre Eignung als Prüfungsfahrzeug. Die aktuelle
Prüfungsordnung für Fahrschulen sieht vor, dass die Prüfung auf Fahrzeugen mit Schaltgetriebe
erfolgen muss, damit es bei der Fahrerlaubnis keine Beschränkung auf Fahrzeuge mit
Automatikgetriebe gibt. Daher wurde der Peugeot iOn nicht für praktische Fahrprüfungen eingesetzt.
Abbildung 2-3: Peugeot iOn (links) und Schnittbild Peugeot iOn (rechts, Quelle: PSA Deutschland)
Das Fahrzeug besitzt einen Lithium-Ionen-Akkumulator mit 16kWh Energiegehalt und eine
Nennspannung von rd. 330V. Im Betrieb treten Spitzenspannungen von bis zu 360V auf. Zur
Gewährleistung einer langen Lebensdauer wird die Kapazität auf etwa 70-80% begrenzt, so dass für
den Fahrbetrieb nur 11-13kWh zur Verfügung stehen. Die Traktionsbatterie befindet sich im
Unterboden des Fahrzeugs zwischen den Achsen. Die Zellen (Typ LEV50) besitzen eine Kapazität von
50Ah und stammen von der Fa. GS Yuasa Corp. Die Traktionsbatterie des Peugeot iOn besteht aus
ingesamt 88 Einzelzellen, die in 10 Module á 8 Zellen sowie 2 Module á 4 Zellen verschaltet sind. Die
Nennspannung jeder Zelle liegt bei 3,7V. Abbildung 2-4 zeigt eine ausgebaute Traktionsbatterie des
Peugeot iOn, Abbildung 2-5 die Systemtopologie des Batteriesystems.
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Abbildung 2-4: Traktionsbatterie Peugeot iOn
Abbildung 2-5: Systemtopologie Batterie-Management
Zur Überwachung der Traktionsbatterie wird ein Batterie-Management-System eingesetzt. Das
Managementsystem umfasst insgesamt 66 Temperatursensoren, auf Zellebene werden Spannung
und Innenwiderstand überwacht.
Dem Fahrer wird durch drei verschiedene Instrumente die Effizienz seiner Fahrweise angezeigt. Im
der Instrumentenkombination befindet sich eine Verbrauchsanzeige, die in Abhängigkeit der
Stromrichtung und Strommenge ein Zeigerinstrument tendieren lässt. Beim Rekuperieren wird die
Batterie mit maximal 60A geladen, für den Fahrbetrieb können bis zu 180A aus der Batterie benötigt
werden. Das Zeigerinstrument selbst ist dimensionslos und lässt nur die Wirtschaftlichkeit der
Fahrweise erkennen. Die Bestimmung des Ladezustands der Batterie (SOC) erfolgt auf Grundlage
eines Stromvergleichs durch den Hauptstromsensor. Hierbei werden alle Ströme, die aus oder in die
Batterie fließen, aufsummiert und durch einen Algorithmus der jeweils aktuelle Ladezustand
bestimmt. Die Anzeige der Restreichweite (Digitalanzeige rechts oben) passt sich den letzten fünf
Fahrten an. Es ist daher möglich, dass die Restreichweite bei vollgeladener Batterie durchaus
zwischen 90 und 120km schwanken kann. Die Anzeige reagiert ebenfalls adaptiv auf das aktuelle
Fahrprofil sowie den Einsatz von Heizung und Klimaanlage.
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Abbildung 2-6: Kombinationsinstrument (links) und Topologie Ladezustandsbestimmung (rechts)
Der Hersteller wirbt damit, dass bei einer Laufleistung von 100.000km die Kapazität der
Traktionsbatterie um maximal 20% abgenommen hat. Untersuchungen der TU Wien und des
österreichischen Verkehrsclub ÖAMTC haben allerdings ergeben, dass bereits nach etwa 40.000km
ein Kapazitätsverlust von 17% eingetreten ist.
Das Laden der Traktionsbatterie des Peugeot iOn kann auf über zwei unterschiedliche Anschlüsse
erfolgen:
a) Typ1 Ladeanschluss (AC,1-phasig, 230V, bis zu 3kW)
b) CHAdeMO Schnellladeanschluss (DC, 400V, bis zu 62,5kW)
Über den Typ1-Ladeanschluss benötigt ein vollständiger Ladevorgang etwa 7h. Die maximale
Ladeleistung beträgt ca. 3.000W, und die Ladeelektronik befindet sich vollständig im Fahrzeug. Das
Typ1-Ladekabel wird über einen haushaltsüblichen Schutzkontaktstecker mit dem öffentlichen Netz
verbunden. Ein Datenaustausch mit dem Ladepunkt ist nicht vorgesehen. Der Schnellladeanschluss
hingegen arbeitet mit einer Leistung von bis zu 62,5kW, wodurch die Traktionsbatterie in 15-30
Minuten zu 80% geladen werden kann. Anschließend wird mit reduzierter Leistung weitergeladen.
Beim Schnellladen werden zudem Lüftung und Klimaanlage des Fahrzeugs aktiviert, um die Batterie
auf einem niedrigen Temperaturlevel zu halten. Die Ladeelektronik ist nicht in das Fahrzeug
integriert, sondern befindet sich in der Ladesäule, wodurch ein Informationsaustausch mit der
Ladesäule über den Zustand der Batterie erfolgen muss.
Das zweite im Projekt eingesetzte Fahrzeug ist ein Peugeot Partner Origin Electric Venturi, der vom
Projektbeteiligten H&V Energietechnik beigesteuert wurde. Hierbei handelt es sich um ein
sogenanntes Konversions-Fahrzeug. Ursprünglich als Transporter mit Verbrennungsmotor gefertigt
wurde der Antriebsstrang nachträglich von der Firma Venturi durch ein elektrisches Pendant ersetzt.
Das Fahrzeug ist erprobt im Einsatz als Baustellenfahrzeug und eignet sich daher ideal für das Projekt.
Abbildung 2-7: Peugeot Partner Origin Electric Venturi
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Der 2-Sitzer verfügt über eine Asynchronmaschine mit 42kW (57PS) und über ein Drehmoment von
180Nm. Die Hochvolt-Technik ist vollständig im Motorraum des Fahrzeugs untergebracht. Bei der
Traktionsbatterie handelt es sich um eine Natrium-Nickelchlorid-Zelle (Zebra-Batterie Z37 der Fa.
Fiamm SoNick) mit einem Energiegehalt von 23,5kWh. Die Zebra-Batterie gehört zur Gruppe der
Thermalbatterien. Ihre Betriebstemperatur liegt im Bereich von ca. 250°C-300°C, außerhalb dieses
Bereichs ist die Batterie nur bedingt einsatzfähig. Im Falle des Peugeot Partner Origin Electric Venturi
erfolgt eine dauerhafte Konditionierung auf 250°C im Ruhezustand. Die hierfür benötigte Energie
wird entweder aus dem Netz bezogen oder aber dem Energiegehalt der Batterie entnommen. Die
Heizungsverluste betragen ca. 105Wh. Hierdurch sinken der Ladezustand der Batterie und somit die
Reichweite des Fahrzeugs kontinuierlich, wenn keine Ladung durch das Netz erfolgt. Nach etwa 9
Tagen ist ein Nachladen unbedingt erforderlich, da die Batterie ansonsten entladen wäre. Bei
Erreichen der oberen Temperaturgrenze erfolgt eine aktive Luftkühlung der Batterie sowie im
Fahrbetrieb eine Leistungsreduzierung. Hierdurch wird die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs auf
etwa 60km/h begrenzt. Der Pilotbetrieb hat gezeigt, dass gerade in den Sommermonaten die obere
Temperaturgrenze sehr schnell erreicht wird und die Fahrtzeiten hierdurch deutlich verlängerten.
Das Laden der Traktionsbatterie erfolgt einphasig bei 230V und max. 13A. Fahrzeugseitig ist der
seltene Marechal-Stecker verbaut, netzseitig ein Schutzkontaktstecker.
Die Bereitstellung von Fahrzeugdaten erfolgt üblicherweise durch die OBD2-Schnittstelle. Während
bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor Abgas-relevante Informationen unverschlüsselt abgefragt
werden können (beispielsweise für die Abgas-Untersuchung), liegen bei Elektrofahrzeugen keine
Daten zur freien Verfügung vor. Komplizierter ist die Datenabfrage bei den Konversions-Fahrzeugen.
Hier befindet sich meist eine zweite Datenschnittstelle in den Fahrzeugen, über den eine
Parametrierung oder Diagnose des elektrischen Antriebsstrangs erfolgt. Die Schnittstelle im Falle des
Peugeot Partner Origin Electric Venturi ist durch einen RS232-Anschluss realisiert, während der
Peugeot iOn vollständig über die OBD2-Schnittstelle diagnostizierbar ist. Eine Kommunikation der
Fahrzeuge über die Ladeleitung mit der Ladesäule ist nicht vorgesehen.
2.3 Ladesäule
Eine Ladesäule ist die Schnittstelle zwischen Netz und Elektrofahrzeug und dient dem
Energietransfer. Die einzelnen Typen unterscheiden sich hinsichtlich der übertragbaren Leistungen,
der vorhandenen Anschlüsse und Steckersysteme sowie der implementierten Funktionen.
Im öffentlichen Raum sind meist Ladesäulen mit dem Typ2-Ladestecker und/oder einer
haushaltsüblichen Steckdose ausgerüstet. Die Ladeelektronik selbst befindet sich hierbei in den
Fahrzeugen. Eine Kommunikation mit der Ladesäule ist aus fahrzeugtechnischer Sicht nicht
erforderlich. Die Ladesäulen erfordern üblicherweise die Identifikation durch einen RFID-Chip, über
den auch die Abrechnung der bezogenen Energiemenge realisiert wird. Die Betreiber der Ladesäule
und die Energieversorger bieten hierfür spezielle Fahrzeug-Tarife an. Zur Interaktion mit dem Nutzer
besitzen die Ladesäulen ein Display, dass die bezogene Energiemenge und, nach Abschluss des
Ladevorgangs, die Ladedauer anzeigt. Die Ladeleistung beträgt hierbei zwischen 3kW und 22kW. Ein
Ladevorgang dauert je nach Fahrzeugtyp und Anschlussleistung etwa 2,5h bis 8h. In Deutschland sind
im Jahr 2014 etwa 2.300 Ladesäulen (zum Vergleich: ca. 14.000 Tankstellen für fossile Brennstoffe in
Deutschland) vorhanden. Einige dieser Säulen befinden sich im Messbetrieb und können kostenlos
genutzt werden.
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Für den Aufbau eines Smart-Grids müssen folgende Funktionen zusätzlich integriert und von den
Fahrzeugen bereitgestellt werden:
•
•
•
•
Laderegelung – BMS-Daten und Befehle zwischen Fahrzeug und Ladesäule
Lastmanagement Smart-Grid zum Abruf von Konditionen (preisoptimiertes Laden) und
Übermittlung von Ladesollwerten und Fahrzeugkennwerten zum autonomen Laden
Identifikation des Fahrzeugs für die Abrechnung
Optional: Datenübermittlung an den Nutzer des Fahrzeugs zur Fernüberwachung bzw. zur
Vorkonditionierung der Heizung-/Klimaanlage
Das Netz der Schnellladesäulen ist bei weitem noch nicht so ausgebaut,
wie es bei Standard-Ladesäulen der Fall ist. In einzelnen Pilotprojekten
werden an Autobahnen in entsprechenden Abständen
Schnelllademöglichkeiten installiert, um eine schnelle Fahrt der Strecke
zu ermöglichen. Das Schnellladen ermöglicht es, die Traktionsbatterie
in den Fahrzeugen in 30 Minuten zu 80% SOC wieder aufzuladen. Bei
Erreichen der 80%-Schwelle erfolgt das Laden nur noch mit geringer
Leistung. Auch hier gibt es unterschiedliche Steckersysteme
(CHAdeMO, Tesla Supercharger und CCS). Das Laden der
Traktionsbatterie erfolgt hier mit Gleichspannung (DC-Laden) mit
Leistungen von bis zu 100kW. Hierbei befindet sich die Ladeelektronik
nicht wie beim Standard-Laden im Fahrzeug sondern in der
Ladestation. Ein Informationsaustausch über den Zustand der
Traktionsbatterie mit der Ladestation ist daher erforderlich und auch
von den Fahrzeugherstellern vorgesehen. Es werden u.a. Daten zum
Ladezustand und der Batterietemperatur übermittelt.
Abbildung 2-8: CHAdeMO-Schnellladesäule
Im privaten Bereich werden überwiegend Wall-Boxen eingesetzt. Das Spektrum reicht hier von
einfachen Modellen, die keine Informationen über den Ladevorgang mitteilen bis hin zu den teureren
Modellen, in denen u.a. eine Energiemengenzählung integriert ist. Diese Wall-Boxen werden zumeist
vom Fahrzeughersteller bei Kauf eines Elektrofahrzeugs angeboten und gegen einen entsprechenden
Mehrpreis auch durch Fachbetriebe montiert. Hierdurch wird gewährleistet, dass der Nutzer die
passende Box für sein Fahrzeug erhält.
Momentan dominieren Typ1- und Typ2-Ladestecker den Elektrofahrzeugmarkt. Ab 2017 gilt für alle
in Europa zugelassenen Elektrofahrzeuge verbindlich der Typ2-Ladestecker.
Abbildung 2-9: Ladestecker Typ1 (links) und Typ2 (rechts)
Der im Projekt vom Autohaus Rüschkamp zur Verfügung gestellte Fahrschulwagen Peugeot iOn
besitzt einen Typ1-Ladestecker mit integrierter ICCB (In-Cable Control Box) und einen CHAdeMO12
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Schnellladeanschluss (Abbildung 2-10 rechts). Hauptaufgabe der Control Box ist die Begrenzung des
Ladestroms, die Absicherung des Ladevorgangs durch einen Fehlerstromschutzschalter und die
Bereitstellung von rudimentären Informationen (Statusmeldungen für Bereitschaft, Signalisierung
des Ladevorgangs und eventueller Fehler) für den Nutzer. Netzseitig ist ein Schutzkontakt-Stecker
vorhanden, der das Laden des Fahrzeugakkumulators an einer haushaltsüblichen Steckdose mit etwa
13A bei 230V (3.000W) ermöglicht. Durch diese Eigenschaft ist der Austausch von Informationen
zwischen dem Fahrzeug und der Ladesäule ausgeschlossen. Es findet lediglich ein Energietransfer
statt.
Abbildung 2-10: Ladeanschlüsse Peugeot iOn Typ1 (links) und CHAdeMO (rechts)
Der vom Verbundpartner H&V Energietechnik eingesetzte Peugeot Partner Origin Electric Venturi
besitzt den äußerst seltenen Marechal-Stecker (Abbildung 2-11). Dieser Ladesteckertyp wurde nur
bei Fahrzeugen aus dem PSA-Konzern eingesetzt und besaß auch dort in Abhängigkeit des
Fahrzeugtyps unterschiedliche Beschaltungen. Prinzipiell besitzt der Stecker Plätze für zwei
Hilfskontakte, die beim Einstecken kurzgeschlossen werden, je einen Kontakt für Phase, Nullleiter
und Erdung (AC-Laden) sowie zwei Hochstromanschlüsse für eine Schnellladung (DC-Laden). Im Falle
des Peugeot Partner Venturi ist nur das AC-Laden vorgesehen und netzseitig somit auch nur ein
Schutzkontakt-Stecker verbaut.
Abbildung 2-11: Ladebuchse (links) und Ladestecker (rechts) Peugeot Partner Origin Electric Venturi
Ein vollständiger Ladevorgang benötigt aufgrund Wirkungsgradverluste in der Ladeelektronik und der
Batterie mehr Energie als die eigentliche Batteriekapazität. Beim Laden ist mit Verlusten von 15-20%
zu rechnen. Hierdurch ergibt sich bei den im Projekt eingesetzten Fahrzeugen ein Energiebedarf von
etwa 19kWh beim Peugeot iOn und etwa 29kWh beim Peugeot Partner für einen vollständigen
Ladevorgang. Üblicherweise werden die Traktionsbatterien nie vollständig entladen, so dass der
tatsächliche Energiebedarf bei einem Ladevorgang geringer ist.
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Die Herstellerangaben hinsichtlich des Energieverbrauchs erlauben folgendes Zahlenbeispiel:
Würden alle Elektrofahrzeuge zeitgleich vollständig geladen bedeutet dies im Jahr 2020 bei einer
Million Fahrzeugen eine zusätzlich erforderliche Leistung von ca. 3GW (1-phasiges Laden, 230V,
durchschnittlich 13A Ladestrom).
Eine Million Elektrofahrzeuge mit einem Durchschnittsverbrauch von 16kWh/100km und einer
Jahresfahrleistung von 15.000km benötigen aus dem Netz einen Energiebedarf von ca. 2,4TWh
zusätzlich. Nach Angaben des statistischen Bundesamtes lag im Jahr 2013 der Bruttostromverbrauch
in Deutschland bei etwa 600TWh (Stand 12.12.2013), was einem Anteil von lediglich 0,4%
entspräche. Der zusätzliche Energiebedarf von einer Million Elektrofahrzeugen stellt demnach nur
einen sehr geringen Anteil am Gesamtstromverbrauch in Deutschland dar.
Abbildung 2-12: Bruttostromverbrauch 1990-2013 in Deutschland
14
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2.4 Technische Gebäudeausrüstung (TGA)
Zu Projektbeginn war die Situation an den Standorten in Lünen und Nordkirchen wie folgt:
•
•
•
•
•
•
E-Fahrzeuge und energetische System der TGA als Einzelsysteme vorhanden, die Kopplung
der mobilen und stationären Systeme fehlte.
Ladesäule für E-Fahrzeuge in Lünen vorhanden.
Ladesäule für E-Fahrzeuge in Nordkirchen nicht vorhanden.
Vielzahl von Energieerzeugern, u.a. Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) wie
Blockheizkraftwerk (BHKW) und Luft-Wärmepumpe vorhanden.
Energiemanagementsysteme waren nicht vorbereitet für die explizite Nutzung von
Eigenstrom.
Im Folgenden werden die vorhandenen Systeme beschrieben.
Autohaus Rüschkamp und Mobile Vielfalt
Die energietechnischen Systeme der Firma Rüschkamp in Lünen setzen auf die Versorgung aus EE
und KWK. Sie decken die Erfordernisse einer Kombination von Autohaus und Werkstattbetrieb.
Im Südwesten des Betriebsgeländes befindet sich ein BHKW der Stadtwerke Lünen (SWL), aus dem
der Wärmebedarf der technischen Betriebe (Reparaturwerkstatt, Lackierung) und der Wärmebedarf
der Verkaufs- und Büroräume gedeckt werden. Das BHKW wird vom Biogasnetz der SWL versorgt, die
insgesamt 13 BHKW betreibt (Abbildung 2-13 Standort des BHKW gelb markiert). Das BHKW vom Typ
2G agenitor 306 hat eine Leistung von 250 kWelektrisch und 265 kWthermisch. Im Jahr 2012 wurden
1.983 MWh Strom und 1.425 MWh Wärme durch das BHKW geliefert.
Abbildung 2-13: Betriebsgelände der Firma Rüschkamp in Lünen (Luftbild)
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Auf dem Dach des Werkstattgebäudes wurde im Jahr 2012 eine PV-Anlage mit einer Spitzenleistung
von 70 kWp errichtet. Die technischen Details der Anlage zeigt der folgende Plan.
Abbildung 2-14: Plan der PV-Anlage der Firma Rüschkamp in Lünen
Die Stromlieferfähigkeit der beiden Anlagen übersteigt den Bedarf für ein Elektrofahrzeug bei
weitem.
H&V Energietechnik
Im Jahre 2010 bezog das Unternehmen einen Neubau im Gewerbegebiet des Ortsteils Südkirchen in
Nordkirchen im Münsterland. Der Neubau beherbergt die Bereiche Arbeitsvorbereitung, Produktion,
Lager, den Bürotrakt und den Sozialbereich.
Abbildung 2-15: Betriebsgelände der Firma H&V in Nordkirchen (Luftbild)
Vor Projektbeginn umfassten die energietechnischen Systeme der H&V Energietechnik ein BHKW,
eine Luft-Wärmepumpe und zwei Wärmespeicher, jedoch keine PV-Anlage (Abbildung 2-15).
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Zurzeit beschäftigt H&V zehn Elektroinstallateure, einen Techniker, zwei Meister und zwei
Bürokaufleute. Für den Energiebereich sind ein Gas- und Wasserinstallateur, ein Betriebsschlosser
und ein Energieberater angestellt. Die Leistungen des Unternehmens H&V umfassen die Bereiche
allgemeine Elektrotechnik (SAT-Anlagen, Sprechanlagen, Telefonanlagen, Gebäudesteuerung [EIB &
PHC], Schaltschrankbau, E- Check, Reparaturen von Klein- und Großgeräten, Beleuchtungs- und
Sicherheitstechnik), Energietechnik (Errichtung von Anlagen der Wärmetechnik wie Solarthermie,
Wärmepumpen, Wärmespeicher) und Produktion von Blockheizkraftwerken (Mikro-KWK).
Abbildung 2-16: Neues Betriebsgebäude der Firma H&V
Blockheizkraftwerk
Die BHKW-Anlage der Firma H&V Energietechnik stand zu Beginn des Projekts zur Verfügung, sie
gehörte bereits zur Grundausstattung des neuen Betriebsstandorts. Die KWK-Anlage produziert
neben Strom in erster Linie Wärme, die als Heizwärme und für das Warmwasser genutzt wird. Der
Stellplatz ist zum Betrieb mit wechselnden BHKW-Typen ausgelegt, er wird zur Erprobung der jeweils
neuesten Produkte der H&V Energietechnik genutzt (Abbildung 2-17).
Abbildung 2-17: BHKW der Firma H&V, Typ ETA F 2900
Eingesetzt wird das BHKW vom Typ ETA F 2900, das die betriebliche Wärmeanforderung deckt. Das
BHKW wird mit Flüssiggas betrieben und hat eine elektrische Erzeugerleistung von 2,9 kW sowie eine
Heizleistung von 13 kW. Die (interne) Wärmepumpe nutzt bis zu 1,6 kW des selbsterzeugten Stroms
und produziert daraus zusätzliche 6,3 kW Wärme. Der Betrieb erfolgt wärmegeführt.
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Das ETA F 2900 ist beim Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) gelistet, und zwar in
der Liste zur Allgemeinverfügung zur Erteilung der Zulassung für hocheffiziente kleine KWK-Anlagen
mit einer elektrischen Leistung bis 50 kW (BAFA-Liste). Hocheffiziente Kraft-Wärme-KopplungsAnlagen werden nach dem Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG) gefördert, indem über einen
bestimmten Zeitraum der sog. KWK-Zuschlag für den in der Anlage erzeugten Strom gezahlt wird. Die
Auszahlung erfolgt durch den Stromnetzbetreiber, an dessen Netz die Anlage angeschlossen wurde.
Voraussetzung für die Auszahlung ist die Zulassung der KWK-Anlage durch das BAFA, dokumentiert in
eben dieser BAFA-Liste.
Wärmepumpe
Als zweiter Wärmeerzeuger ist eine Luft-Wärmepumpe vom Typ ECO 12 LCI-T des Herstellers Bartl im
Einsatz. Die Luft-Wärmepumpe wurde in der Übergangsphase bis zur Inbetriebnahme des BHKW mit
Strom aus dem Netz des lokalen Versorgers betrieben.
Abbildung 2-18: Luft-Wärmepumpe und Pufferspeicher
Das Gerät vom Typ ECO 12 LCI-T (Baujahr 2008) hat eine Heizleistung von 14,2 kW bei einer
elektrischen Stromaufnahme von 4,1 kW (Abbildung 2-18).
Wärmespeicher
Zur Speicherung der Wärme werden zwei Schichtspeicher der Firma NEHS betrieben, zum einen mit
einem Volumen von 1.500 Litern (NEHS NPS 1500, Abbildung 2-18) für den Wärmebedarf, zum
anderen mit einem Volumen von 300 Litern (NEHS NPS 300) für den Sanitärbedarf.
Eigenstrom
Bei BHKW hat der Betreiber zwei Wege, sich den erzeugten Strom vergüten zu lassen. Die erste
Möglichkeit ist die Vergütung nach dem KWKG, das für alle KWK-Anlagen vorstellbar ist und die
zweite Möglichkeit wäre die Vergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG). Eine
Vergütung nach EEG ist aber nur dann möglich, wenn das BHKW die Voraussetzungen der
Biomasseverordnung erfüllt. Im Vergleich zu KWK-Gesetz erhält der Betreiber eine etwas höhere
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Vergütung. Da aber das BHKW in der Firma H&V Energietechnik mit Flüssiggas betrieben wird,
entfällt die Vergütungsmöglichkeit nach EEG.
Die Vergütung nach dem KWK-Gesetz besteht aus drei Teilen:
1. Üblicher Preis (Baseload)
2. KWK-Zuschlag
3. Vergütung vermiedener Netzkosten
Üblicher Preis (Baseload): Hier steht die Möglichkeit mit dem Netzbetreiber über den Wert des
eingespeisten Stroms zu verhandeln. Der übliche Preis gilt erst dann, wenn kein Preis vereinbart
wurde. Der übliche Preis ist der an der Leipziger Strombörse EEX erzielte durchschnittliche Preis des
Baseload-Stroms des vorangegangenen Quartals. Für das erste Quartal 2015 betrug der
durchschnittliche Preis 3,482 Cent/kWh.
KWK-Zuschlag: Laut KWK-Gesetz wird für jede produzierte Kilowattstunde ein Zuschlag gezahlt,
unabhängig davon ob der Strom für Eigenverbrauch ist oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist
wird. Die Voraussetzung für den Zuschlag ist eine neue Anlage, neue Hauptkomponente einer Anlage
oder Modernisierung einer Anlage. Die Höhe des Zuschlags ist abhängig von der elektrischen Leistung
und ist für einen bestimmten Zeitraum gültig. Für Anlagen mit einer elektrischen Leistung von
maximal 50 kW beträgt der KWK-Zuschlag 5,41 Cent/kWh.
Vergütung vermiedener Netzkosten: Dezentral erzeugter Strom wird lokal ins Netz eingespeist und
von den regionalen Netzbetreibern verteilt. Hierbei entstehen kleinere Kosten für die Netznutzung,
weil der Strom nicht über lange Wege transportiert werden muss. Diese Netznutzungskosten werden
dem Betreiber gutgeschrieben. Die Berechnung erfolgt gemäß der Stromnetzentgeltverordnung
(StromNEV). 0,4 bis 1,5 Cent/kWh Netznutzungsentgelt werden vergütet.
Abbildung 2-19: Wertvergleich Einspeisung gegenüber Eigennutzung von BHKW-Strom
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Die gesamte Einspeisevergütung für ein BHKW mit einer elektrischen Leistung von bis zu 50 kW
beträgt 9,392 Cent/kWh.
Der Wert für den Eigenverbrauch in Höhe von 29,96 Ct/kWh setzt sich aus dem festgelegten KWKBonus (5,41 Cent/kWh) und einer Stromersparnis (24,55 Cent/kWh) zusammen. Für die
Stromersparnis wird der regionale Arbeitspreis angenommen.
Zwischen den Eigenverbrauch und Einspeisung ist eine Wertdifferenz in Höhe von 20,568 Ct/kWh
vorhanden (Abbildung 2-19). Die Kosten zur Erzeugung des Stroms mittels BHKW sind sowohl bei der
Einspeisung als auch beim Eigenverbrauch gleich, können also bei der Berechnung des Werts
unberücksichtigt bleiben.
Für PV-Anlagen erfolgt die Vergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG). Die Vergütung
wird seit Inkrafttreten der novellierten Fassung des EEG von 2012 nur noch für PV-Anlagen gezahlt,
die im Zeitraum zwischen dem 1.1.2009 und dem 31.3.2012 in Betrieb gegangen sind. Für Anlagen,
für die vor dem 24.2.2012 ein Netzanschlussbegehren gestellt wurde, greift diese Ausnahmeregelung
ebenfalls. Betreiber von Dachanlagen mit einer Leistung zwischen 10 und 1.000 kWp, die ab dem
1.4.2012 in Betrieb genommen wurden, erhalten für die Netzeinspeisung von PV-Strom nur noch für
90% der jährlich erzeugten Energie eine Vergütung. Die restlichen 10% der Erzeugung sollen für den
Eigenverbrauch genutzt oder vermarktet werden und erhalten keine Einspeisevergütung mehr. Die
gezahlte Vergütung ist degressiv.
Jede PV-Anlage, die vor oder nach diesem oben genannten Zeitraum (1.1.2009 - 31.3.2012) in Betrieb
genommen wurde, ist von der Vergütung von PV-Eigenstromverbrauch ausgeschlossen. Für alle PVAnlagen mit einer Leistung größer 10 kWp plant der Gesetzgeber zukünftig die Einführung einer
Abgabe für Eigenstrom an Stelle der Vergütung.
Abbildung 2-20: Wertvergleich Einspeisung gegenüber Eigennutzung von PV-Strom1
1
Stichtag 3.1.2014, Anlagengröße 10-40 kWp, Degression 1,4%
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Projektverlauf
Um die Ziele des Projektes zu erreichen, wurde es in Arbeitspakete unterteilt und zur Darstellung von
Ergebnissen mit Meilensteinen versehen. Die Arbeiten und Ergebnisse des Forschungsvorhabens
werden an dieser Stelle nur kurz zusammengefasst. Während des Projektverlaufes sind technische
Schwierigkeiten bei den Fahrzeugen und dem Logging-System aufgetreten, die eine leichte Korrektur
des ursprünglichen Projektverlaufs und eine Verlängerung des Durchführungszeitraums erforderten.
3.1 Hochschule Bochum
Arbeitspaket 1: Elektrofahrzeugumbau
Federführend wurde das Arbeitspaket 1 von der Hochschule Bochum bearbeitet und umfasst
folgende drei Teilaspekte:
a) Umbau des Peugeot iOn auf Doppelbedienung für den Fahrschulbetrieb
b) Aufbau eines Systems zur Fahrzeugdatenaufzeichnung
c) Integration des Logging-Systems in die Fahrzeuge
Umbau des Peugeot iOn auf Doppelbedienung für den Fahrschulbetrieb
Der Umbau des Peugeot iOn auf Doppelbedienung gestaltete sich einfacher als zunächst geplant. Da
der Projektbeginn später als ursprünglich geplant erfolgte, konnte auf Standard-Komponenten der
Firma Veigel Automotive GmbH & Co. KG zurückgegriffen werden. Eine Marktrecherche hat ergeben,
dass die Firma Veigel als einziger Hersteller in Deutschland zum damaligen Zeitpunkt für den
Fahrschulbetrieb mit dem Peugeot iOn einen fertig entwickelten Einbausatz angeboten hat. Eine
teure und zeitaufwendige Einzelanfertigung konnte somit vermieden werden. Der Einbau und die
TÜV-Abnahme erfolgten durch Mitarbeiter des Autohauses Rüschkamp bzw. durch den Technischen
Überwachungsverein.
Abbildung 3-1: Doppelbedienung im Peugeot iOn
Aufbau eines Systems zur Fahrzeugdatenaufzeichnung
Der Aufbau eines Messsystems für Fahrzeugdaten hingegen gestaltete sich aufgrund geändertem
Betriebsverhalten des Peugeot Partner Origin Electric Venturi und dem Nutzungsprofil des Peugeot
iOn deutlich schwieriger als geplant.
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In einer Anforderungsanalyse wurden folgende Ansprüche an das System gestellt:
•
Hardware – Die ausgewählte Hardware muss Automotive-tauglich sein, sollte aber einfach
und günstig zu beschaffen sein, um die Kosten des Systems gering zu halten.
•
Modularität – Das System soll auf einfache Weise um Sensoren und Signaleingänge
erweiterbar sein. Dabei dürfen Sensoren oder Signaleingänge nicht in Konkurrenz stehen, ein
zeitgleiches Loggen verschiedener Eingangsgrößen muss gewährleistet sein.
•
Portabilität – Die Hardware derart beschaffen sein, dass ein einfacher Ein- und Ausbau im
Fahrzeug mit wenigen Handgriffen möglich ist. Dabei muss gewährleistet werden, dass die
Spannungsversorgung sowohl über das Bordnetz, als auch zu Testzwecken über 230V
möglich ist.
•
Bedienbarkeit – Das Datenlogging soll während der Fahrt und des Ladevorgangs vollkommen
autark funktionieren. Ein Nutzereingriff zum Starten und Beenden der Aufzeichnungen soll
vermieden werden. Hierzu ist eine zusätzliche Elektronik erforderlich, die Automotivetauglich, kostengünstig und zuverlässig zu gestalten ist.
•
Datenbank – Die aufgezeichneten Daten sind samt Zeitstempel in einer Datenbank zu
hinterlegen, welche den Zugriff von Matlab unterstützt.
•
Bandbreite – Wichtig ist, dass die Messdaten in hoher Geschwindigkeit und ohne
Datenverlust gespeichert werden. Kritisch zu betrachten ist die Aufzeichnung von CANDaten, die mit einer hohen Frequenz gesendet werden (sicherheitsrelevante Systeme). CANDaten sollen daher mit einer Frequenz von mindestens 400 Samples pro Sekunde dargestellt
werden können.
•
USB-Anbindung der Sensoren – um eine einfache Erweiterbarkeit des Systems zu
gewährleisten, sollen die Sensoren über USB angebunden werden. Diese einheitliche
Schnittstelle ermöglicht zudem schnelle Anpassungen und flexible Handhabung.
•
Basis-Sensoren – Das System soll von Anfang an bestimmte Sensoren beinhalten, um die
Grundfunktion des Systems zu ermöglichen. Im Einzelnen werden ein GPS-Empfänger, ein
CAN-Bus-Interface sowie (wie sich im späteren Verlauf des Projekts ergeben hat) ein AnalogSpannungssensor (A/D-Wandler) vorausgesetzt.
Kern des Logging-Systems ist ein kompakter und Automotive-tauglicher PC des Typs Arbor FPC 7701,
der sich in einigen Punkten von einem handelsüblichen PC unterscheidet. Für den Einsatz in einem
Fahrzeug und den geänderten Umgebungsbedingungen müssen diese Computer sehr kompakt, für
Umgebungstemperaturen von -20° bis +80°C und für eine Spannungsversorgung von nur 10-16V
geeignet sein. Hinzu kommt, dass Erschütterungen beim Fahren den Datenträger nicht beschädigen
dürfen. Daher erfolgt die Verwendung einer Solid-State-Disc (SSD). Der PC wurde durch mehrere
Komponenten erweitert. Für die Konnektivität wurden eine GSM-Schnittstelle sowie eine PCI-WLAN
Karte installiert. Mit den Schnittstellen für CAN-Bus und GPS kommuniziert das System über USB. Die
CAN-Bus Schnittstelle der Firma Peak-Systems kann über mitgelieferte Programmier-Bibliotheken für
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die gebräuchlichsten Programmiersprachen angesprochen werden, was das Programmieren einer
eigenen Software ermöglicht.
Für die Inbetriebnahme ist der PC neben dem Anschluss für die Spannungsversorgung mit einem
durch eine 5V Spannung schließbaren Schalter ausgestattet. Dieser Eingang wird über die entwickelte
Microcontroller-basierte Schaltung angesprochen. Die ursprünglich entwickelte Schaltung sah nur die
Inbetriebnahme des PCs bei Aktivieren der Fahrbereitschaft oder bei Initiierung des Ladevorgangs
vor. Dies hat dazu geführt, dass der Datenlogger im ausgeschalteten Zustand die Batterie des 12VSystems über einen Zeitraum von zwei Wochen entladen hat. Es hat sich gezeigt, dass die
Ruhestromaufnahme des PCs nicht konstant im einstelligen mA-Bereich liegt sondern durch aus bis
zu 120mA betragen kann. Daher musste die Schaltung revidiert werden, wodurch allerdings die
Haltbarkeit nachträglich beeinflusst wurde. Die Spannungsversorgung des Microcontrollers erfolgte
über einen Längsregler des Typs 7805. Trotz entsprechender Sicherungsmaßnahmen versagte dieses
Bauteil undefiniert. Daher musste die Schaltung erneut überarbeitet und zusätzliche Maßnahmen
zum Schutz ergriffen werden. Zur Vermeidung weiterer Entladungen des Niedervoltsystems der
Fahrzeuge wurde zudem ein A/D-Wandler des TypsHB627 des Herstellers H-Tronic integriert, der als
Unterspannungserkennung fungiert. Die Logging-Software kommuniziert mit dem Wandler und bei
Erreichen einer definierten Spannung erfolgt das Herunterfahren der Software sowie des
Betriebssystems. Zusätzlich wird die Spannungsversorgung nach erfolgtem Abschalten des PCs
getrennt, so dass der Logger selbst keinen Ruhestrombedarf mehr aufweist. Lediglich die
Einschaltelektronik besitzt einen Ruhestrom von 4mA.
Abbildung 3-2: Microcontroller-basierte Einschaltelektronik (Auszug)
Die Logging-Software ist in der Programmiersprache C# geschrieben. C# gehört zu der Gruppe der
von Microsoft entwickelten .NET Sprachen, welche durch die Common Language Runtime
interpretiert werden kann. Die Sprache gilt insbesondere bei Nutzung in Microsoft Betriebssystem als
besonders sicher, stabil und schnell. Darum wurde auch für den PC des Logging-Systems das
Betriebssystem Microsoft Windows7 Professional genutzt.
Die Funktionalität der Logging-Software wurde durch mehrere parallel ausgeführte Unterprogramme
umgesetzt. Eine solche Vorgehensweise nennt sich Multithreading und die einzelnen
Unterprogramme Threads. Da moderne PC üblicherweise mit Mehrkernprozessoren arbeiten, wurde
bei C# auch darauf geachtet, den Umgang und die Sicherheit mit Threads zu optimieren.
Bei Inbetriebnahme des Systems lädt das BIOS zunächst das Betriebssystem. Mit dem Start des
Betriebssystems wird auch die Logging-Software direkt mit ausgeführt.
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Abbildung 3-3: Struktur Datenlogging
Bei Aufruf der Software erfolgt zuerst das Einlesen der gespeicherten Einstellungen aus einer XMLDatei. Dies erfolgt im Hauptprogramm, über die auch die grafische Oberfläche gesteuert wird.
Anschließend werden die Schnittstellen für CAN und GPS in Abhängigkeit dieser Einstellungen
initialisiert. Mit hoher Frequenz erfolgt das Auslesen der Schnittstellen in Threads und das Ablegen
der Daten gemeinsam mit einem Zeitstempel auf einem virtuellen Stapel. Zeitgleich erfolgt das
Starten eines weiteren Threads, der die Daten, die auf den CAN und GPS Stapeln abgelegt wurden, in
entsprechende Tabellen in einer Datenbankdatei einzutragen. Das verwendete Datenbanksystem ist
SQLite. Dieses unterscheidet sich durch seine Vereinfachung stark von anderen Datenbanksystemen.
Anders als bei zum Beispiel MYSQL lässt sich SQLite direkt in ein Programm integrieren und benötigt
keine aufwändige Server-Software. Anders ist auch, dass eine Datenbank nur aus einer einzigen Datei
besteht. Der Speicherort dieser Datenbankdatei ist zur Laufzeit ein RAM-Disk-Verzeichnis. Ein solches
Verzeichnis simuliert innerhalb des Arbeitsspeichers (Random Access Memory) ein normales
Verzeichnis und zeichnet sich darum durch sehr hohe Lese- und Schreibgeschwindigkeiten aus. Bei
Erreichen einer zuvor definierten Größe, wird die Datei in ein normales Verzeichnis der SSD
verschoben. Zuletzt startet der FTP-Thread. Aufgabe dieses Threads ist es, eine Redundanz der
Datenbankdateien mit Kopien dieser Dateien und Verzeichnissen auf dem Server zu schaffen. Dies
dient der Datensicherung und eröffnet die Möglichkeit die Daten zeitnah extern auszuwerten.
Hauptprogramm und Programmfenster
Parallele Applikationen können nicht direkt gleichzeitig gestartet werden, sondern bedürfen immer
eines Hauptprogramms, das diese startet, beendet sowie während des Betriebs überwacht und
kontrolliert. Des Weiteren werden über das Hauptprogramm verschiedene Informationen
bereitgestellt und gespeichert. Folgende Funktionen übernehmen das Hauptprogramm und dessen
grafische Oberfläche:
-
24
Entgegennehmen und Speichern der Einstellungen, die der Nutzer vornimmt
Bereitstellen der Einstellungen für alle Threads
Starten, Beenden und Überwachen der Threads inklusive einer Selbstüberwachung
Erstellen eines Protokolls
Bereitstellen von Namen für Datenbankdateien und Ordner (in Abhängigkeit von Datum und
Uhrzeit)
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-
Bereitstellen eines hochauflösenden Zeitstempels
Laden und Überwachen der grafischen Oberfläche
Herunterfahren des Systems
Abbildung 3-4: Programmfenster BOlogging-Software
Schnittstellen-Threads
Die Schnittstellen-Threads werden durch das Hauptprogramm gestartet. Aufgabe der Schnittstellen
Threads ist zunächst das Initialisieren der beiden Messschnittstellen CAN und GPS. Beide greifen für
diese Initialisierung auf externe Programmbibliotheken zu. Bei der CAN-Schnittstelle ist es eine
mitgelieferte Treiber/Applikations-Bibliothek, bei der GPS-Schnittstelle kann die .NET-eigene
Bibliothek SerialPort genutzt werden. Nach erfolgreicher Initialisierung beginnen die Threads mit
ihrer Hauptaufgabe, dem Speichern der gemessenen Daten in einer Queue. Eine Queue ist ein
temporäres und virtuelles Stapelverzeichnis, das nach dem First-In/First-Out-Prinzip (FIFO)
funktioniert. In diesem Fall wird eine Sonderform dieser Queue verwendet. Eine „synchronized
Queue“, bei der besonderes Augenmerk auf das Vermeiden von Zugriffsproblemen, die durch
gleichzeitiges Ansprechen der Queue von mehreren Threads hervorgerufen werden, gelegt wurde.
Zusätzlich wurde der Vorgang des Ablegens eines Objekts auf das Ende des Stapels und das
Entnehmen eines Objekts am Beginn des Stapels durch Methoden gekapselt. In den gekapselten
Methoden wurden Werkzeuge des Multithreading der .NET Bibliothek verwendet, um vor
gleichzeitigen Zugriffen nicht nur auf Thread-Ebene sondern auf der gesamten Applikationsebene zu
schützen. Die ablegende Methode wird nur innerhalb des Schnittstellen-Threads und die
entnehmende außerhalb nur durch ein anderes Threads verwendet. Innerhalb einer Hauptschleife
erfolgt nun das Abfragen nach neuen Daten der Schnittstelle. Wenn dies der Fall ist, wird über die
ablegende Methode der Datensatz mit an die Queue gehängt. Die Schnittstellen-Threads befüllen
also permanent die Queues mit Daten. Eine weitere wichtige Aufgabe, die der CAN-Thread zusätzlich
noch übernimmt, ist das Zurücksetzen und Neustarten einer Stoppuhr, sobald ein neuer Datensatz
empfangen wurde. Dies ist wichtig, da der Hauptthread in Abhängig dieser Stoppuhr entscheidet, ob
die Applikation beendet wird. Diese Uhr zeigt also immer die Zeit an, die vergangen ist, seit zuletzt
ein CAN-Datensatz empfangen wurde. Ist diese Zeit zu lang bedeutet dies, dass das Fahrzeug nicht
mehr in Betrieb ist. Die Threads beenden sich anschließend nicht selbstständig sondern erhalten
durch den Hauptthread die Anweisung zu enden.
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SQLite-Datenbank-Thread
Wie bereits in vorherigen Abschnitten erwähnt ist die Aufgabe des SQLite-Threads, die erhobenen
Daten in SQLite Datenbanken zu speichern. Zunächst erstellt der Thread - innerhalb seiner
Hauptschleife - eine neue Datenbankdatei auf der RAMDisk. Anschließend werden die Datensätze
aus den Queues der Schnittstellen-Threads gelesen, sobald eine durch eine XML-Datei definierte
Menge an Sätzen vorhanden ist. Diese Sätze werden dann, für jede Schnittstelle einzeln als
Transaktion in die Datenbank geschrieben. Dies hat den Vorteil, dass bei einer Transaktion alle Daten
an eine Adresse innerhalb der Datenbank geschrieben werden. Dadurch entfällt eine Überprüfung,
ob die Adresse auch vorhanden, beschreibbar und für jeden Datensatz verfügbar ist, was bei
einzelnen normalen Schreibvorhängen für jeden Datensatz sonst der Fall wäre. Nach der
Überprüfung der Queues folgt eine Überprüfung der binären Größe der Datenbankdatei in der
RAMDisk. Hat diese eine, ebenfalls in der XML-Datei, definierten Größe erreicht, wird die Datei in ein
Verzeichnis auf der SSD übertragen und eine neue Datei für die RAMDisk erstellt, in der dann
anschließend weiter gespeichert wird. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, wie kein Stoppsignal
vom Hauptthread gegeben wurde. Bei Abgabe des Stoppsignals werden keine weiteren Datensätze
mehr in die Queues geschrieben. Die letzten Datensätze aus den Queues werden nun in die
Datenbank geschoben und die Datenbankdatei auf die SSD verschoben. Abschließend stellt nun der
SQLite-Thread ebenfalls seine Arbeit ein und endet.
Datensatzverarbeitung
Die eigentlichen Hauptdatensätze des GPS-Signals sind Textzeichenketten vom GPGGA und GPRMC
nach NMEA Definition. Wenn sie durch das entsprechende Thread entgegen genommen wurden,
werden sie in einem durch die Applikation in einem sogenannten Referenzdatentyp gespeichert, der
es ermöglicht, eine ID-Zahl für den GPS Sensor zu vergeben. Falls mehre Empfänger im Einsatz sind,
werden ein String-Feld für die NMEA Sätze und ein Feld für den Zeitstempel (Hauptthread) zur
Verfügung gestellt. Der Aufbau der Tabelle entspricht innerhalb der Datenbank dem
Referenzdatentyp. Ähnlich ist der Aufbau für den CAN-Thread. Allerdings wird in dem ID-Feld die ID
der CAN-Nachricht gespeichert und statt einem String-Feld eine acht Elemente langes Byte-Array
verwendet. In den acht Elementen werden dann die acht einzelnen Bytes der Nachricht gespeichert.
Die Zeitstempel Typ ist in der Datenbank gleich geregelt wie in der GPS Tabelle bzw. dem
Referenzdatentyp. In der Datenbank ist es nicht direkt möglich ein Array zu speichern, darum
existieren hier acht Tabellenspalten für die Bytes.
FTP-Thread
Der FTP-Thread lädt die Datenbankdateien, die auf der SSD abgelegt sind, auf einen FTP-Server hoch.
Dazu verwendet die Applikation eine externe Programmbibliothek des Unternehmens Limilabs, die
den Umgang und Verschlüsselung mit dem FTP-Protokoll stark vereinfacht. Der Thread gleicht
zunächst den Datenbestand auf der SSD mit dem Bestand auf dem Server ab. Hierzu ist eine aktive
Verbindung zum Server erforderlich. Das Schleifen-Konstrukt ist so aufgebaut, dass der Thread
immer an der letzten Stelle weiter prüft, an der zuletzt der Abgleich erfolgte. Diese Vorgehensweise
erfolgt auch dann, wenn die Verbindung unterbrochen wurde. Nachdem das Hauptverzeichnis einmal
überprüft wurde, wird nur noch das Verzeichnis synchronisiert, in dem die aktuelle Session
gespeichert wird. Durch diese Implementierung haben längere Verbindungsaussetzer während der
Fahrt keine negativen Auswirkungen. Beim Herstellen der nächsten Verbindung werden die Daten
nachgeladen. Gestoppt wird der Thread nachdem der SQLite-Thread beendet ist.
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Shut-Down/Herunterfahren
Das Herunterfahren des Systems erfolgt nach Beendigung aller Thread durch einen kurzen Befehl im
Code. Das Einhalten dieses Ablaufs ist logisch in der Software implementiert. Das Bedeutet, dass
dieser Befehl erst erreicht werden kann, wenn die Threads auch wirklich gestoppt haben.
Abbildung 3-5: Betriebsbereiter Datenlogger im Fahrschulfahrzeug
Integration des Logging-Systems in die Fahrzeuge
Um im Automobil die hohen Anforderungen an die Datenübertragung im Bussystem zu bedienen,
werden Daten in einen sogenannten CAN-Data-Frame eingebettet, dessen Aufbau in Abbildung 3-6
dargestellt ist. Auf das „Start-Of-Frame-Bit“, welches zur Synchronisation dient, folgt zunächst der
Identifier, der sowohl Aufschluss über den Inhalt der Nachricht gibt als auch zur Arbitrierung dient.
Der folgende „Data-Length-Code“ kündigt die Anzahl der folgenden Datenbytes an. Nach der
Datenübermittlung folgt zum Schluss die „Checksum“ zum Verifizieren der Übertragung und das
„Acknowledge-Field“, in dem die Empfänger die Übertragung quittieren.
Abbildung 3-6: Aufbau eines CAN-Data-Frames
Versuche an den eingesetzten Fahrzeugen haben gezeigt, dass eine Vielzahl von Nachrichten auf den
Bus-Systemen vorhanden ist. Viele Informationen spielten für das Forschungsvorhaben keine Rolle.
Daher erfolgt im Rahmen eines Projektpartnermeetings eine Festlegung der relevanten
Fahrzeugdaten:
-
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Ladezustand der Traktionsbatterie (SOC)
Restreichweite
Fahrzeuggeschwindigkeit
Kilometerzähler
Außentemperatur
Leistungsaufnahme Heizung und Klimaanlage
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Aufgrund der Komplexität der Fahrzeug-Bussysteme wurden die Identifier bei den Herstellern
erfragt. Peugeot Deutschland zeigte sich an dieser Stelle sehr kooperativ und lieferte nach Abgabe
einer Geheimhaltungsvereinbarung neben den notwendigen Informationen noch weitere Daten aus
dem Antriebsstrang des Fahrschulfahrzeugs. Der Abgriff der Fahrzeugdaten erfolgte nicht an der
OBD2-Schnittstelle sondern an einem Steuergerät, das den Antriebsstrang mit dem Restfahrzeug
verbindet. Der Datenlogger selbst und die Einschaltelektronik wurden im Kofferraum untergebracht,
um kurze Kabelwege zu ermöglichen. Das Einschaltsignal bei Inbetriebnahme des Fahrzeugs bzw.
Initiierung des Ladevorgangs konnte am Hauptsteuergerät unterhalb der Rücksitzbank abgegriffen
werden.
Abbildung 3-7: HV-ECU Peugeot iOn
Sehr viel aufwändiger gestaltete sich die Beschaffung der notwendigen Daten beim Peugeot Partner
Origin Electric Venturi. Da es sich um ein Konversions-Fahrzeug handelt besitzt es zwei unabhängige
Bus-Systeme.
Abbildung 3-8: Kommunikationsschnittstelle Peugeot Partner Origin Electric Venturi
Die Kontaktaufnahmen zum Fahrzeughersteller Venturi und zum Batteriehersteller Fiamm SoNick
gestalteten sich äußerst schwierig und langwierig mit dem Ergebnis, dass keine Freigabe der
relevanten Fahrzeugdaten erfolgte. Daher war eine empirische Ermittlung des Ladezustands der
Batterie erforderlich. Aufgrund der Komplexität des CAN-Bus-Protokolls musste eine Vielzahl von
Testfahrten vorgenommen werden, in denen alle am Bus anliegenden Fahrzeugdaten erfasst wurden
und der Ladezustand der Batterie sowie Kilometerstände zusätzlich manuell vom Fahrzeugdisplay
abgelesen werden mussten. Anschließend erfolgte eine Verifikation der aufgezeichneten
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Informationen mit dem Ergebnis, dass die Entladetiefe der Batterie ermittelt werden konnte. Jedoch
besitzt dieses Ergebnis keine 100%ige Genauigkeit. Nach dieser zeitintensiven Testphase ließ sich aus
der Entladetiefe (DOD) der Ladezustand der Batterie (SOC) herleiten. Diese gewonnenen
Erkenntnisse wurden in die Software implementiert und der Datenlogger konnte anschließend unter
dem Beifahrersitz montiert werden.
Die aufgezeichneten CAN- und GPS-Daten können im Anschluss an die Messung über Tools wie dem
SqliteBrowser geöffnet und betrachtet werden. Zur sinnvollen Aufbereitung der Daten und in
Zusammenhang stellen zu können, müssen diese allerdings über eine spezielle Schnittstelle in Matlab
importiert werden, um sie dort zu bearbeiten.
Abbildung 3-9: Aufgezeichnete CAN-Nachrichten Peugeot iOn
Arbeitspaket 4: Qualifizierungsprogramm
Das Erstellen des curricularen Leitfadens zur Elektromobilität (AP4) wurde aufgrund von technischen
Problemen in AP1 vorgezogen. Gemeinschaftlich mit dem Fahrlehrer-Verband Westfalen e.V. und der
Fahrschule Mobile Vielfalt wurden die Anforderungen an die theoretische und praktische Ausbildung
ermittelt. Die Umsetzung erfolgte in einem 40-seitigen Leitfaden (siehe Anhang), der jedem
Fahrschüler in der Theoriestunde kostenlos übergeben wurde, und in einer PowerPoint-Präsentation.
Die Inhalte zwischen der gezeigten Präsentation und dem Leitfaden sind deckungsgleich aufgebaut,
um den Fahrschülern das Nacharbeiten der Inhalte zu ermöglichen. Der Leitfaden enthält zudem
vertiefende Inhalte, die im Rahmen der Doppel-Theoriestunde aus zeitlichen Gründen nicht
vermittelbar waren. Dies ermöglicht es dem Fahrschüler, sich mit dem Thema Elektromobilität auf
einfache Weise auch außerhalb der Fahrschule auseinander setzen zu können.
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Die Kernthemen des Leitfadens lauten:
•
•
•
•
Auswirkungen des Individualverkehrs und Motivation für alternative
Antriebe („Warum Elektromobilität?“, Ressourcenverknappung, Vergleich
Kraftstoff Batterie)
Fahrzeugtechnische Grundlagen von Hybrid- und Elektrofahrzeugen inkl.
Beschreibung der Komponenten
Bedienungshinweise für Elektrofahrzeuge (Fahrhinweise, Bedienung,
Ladevorgang, Wartung, Panne, Sicherheit bei einem Unfall, Elektrische
Gefährdung)
Energiesparende Fahrhinweise
Die für den Leitfaden erforderlichen Abbildungen wurden selbst erstellt oder aber durch Erteilung
einer Nutzungserlaubnis durch die Rechteinhaber von externen Quellen genutzt. Da die Nutzung von
fremdem Bildmaterial nur auf das Projekt bezogen war, wurde für die weitere Verwendung des
Leitfadens über die Projektlaufzeit hinaus weiteres Bildmaterial selbst erstellt. Das Feedback der
Fahrschüler zu den Unterlagen wurde gesammelt und Anregungen zur Verbesserung der Unterlagen
eingepflegt.
Der ursprünglich erwogene Punkt, Prüfungsaufgaben zu entwickeln, wurde verworfen, da die
Fragestellungen deckungsgleich mit denen für konventionelle Fahrzeuge sind.
Die praktische Fahrausbildung erfolgte in einer Doppelstunde mit einer geplanten Verteilung von 7015-15 (Stadt-Überland-Autobahn). Die Verteilung konnte jedoch oft nicht eingehalten werden, da die
Grundkenntnisse hinsichtlich des Autofahrens bei den Fahrschülern variierten oder die
Verkehrsverhältnisse eine andere Nutzung erforderlich machten. Hierdurch verkleinerte sich in der
Regel der Stadtanteil und Fahrten auf Autobahnen oder Landstraßen wurden bevorzugt
vorgenommen. Durch die höheren Geschwindigkeiten entlud sich die Fahrzeugbatterie schneller, so
dass an einem Tag nicht wie geplant bis zu sechs Fahrstunden mögliche waren sondern nur maximal
vier. Aufgrund der Zahl der Fahrschüler, die für die Fahrt im Elektrofahrzeug zeitgleich geeignet
waren, ist es jedoch zu keinen Beeinträchtigungen gekommen.
Für die Auswertung der gesammelten Eindrücke und Erfahrungen wurde ein kurzer
Bewertungsbogen erstellt, den die Fahrschüler nach der praktischen Fahrstunde ausfüllen sollten.
Der Bogen umfasst zehn Fragen, in denen die Fahrschüler ihre Eindrücke beim Führen eines
Elektrofahrzeugs schildern sollten. Der Bewertungsbogen wurde bewusst kurz gehalten, damit die
Fahrschüler den größten Teil der Fahrstunden das Fahrzeug bewegen konnten.
Ein Bewertungsbogen für das im Handwerksbetrieb eingesetzte Fahrzeug war nicht vorgesehen, da
das Fahrzeug nur von einem bzw. zwei Monteuren bewegt wird, so dass keine repräsentativen
Ergebnisse zu erwarten waren.
Arbeitspaket 5: Pilotbetrieb
Die Pilotphase war laut Antrag für eine Dauer von neun Monaten geplant, in deren Zeitraum sowohl
die kühle als auch die warme Jahreszeit berücksichtigt wurde. Der spätere Projektstart und die in den
technischen Problemen der Fahrzeuge und des Datenloggers begründete zeitliche Verzögerung
reduzierten die Pilotphase auf 8,5 Monate (April 2014 bis Mitte November 2014). Die diesjährige
Wetterlage hat den Einsatz der Fahrzeuge bei niedrigen Außentemperaturen stark eingegrenzt. Im
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November lagen die aufgezeichneten Außentemperaturen um 10°C. Bei dieser Wetterlage ist die
Leistungsfähigkeit einer Lithium-Ionen-Batterie noch nicht deutlich eingeschränkt.
In der Pilotphase des Projekts wurden beide Fahrzeuge im Alltag eingesetzt. Gleich zu Beginn des
Pilotbetriebs trat ein Defekt im Antriebsstrang des Peugeot Partner Origin Electric Venturi auf,
dessen Behebung viel Zeit in Anspruch nahm. Ursächlich war die nach längerer Diagnose
Traktionsbatterie, die erst eigens für das Fahrzeug angefertigt werden musste. Hierdurch ergab sich
eine Verzögerung des Einsatzes im Pilotbetrieb von insgesamt drei Monaten. Nach Fertigstellung des
Fahrzeugs musste die Software des Datenloggers neu angepasst werden, da zahlreiche Updates der
Antriebsstrangsteuerung auch das Betriebsverhalten des Bus-Systems beeinflusst haben.
Üblicherweise wechseln bei einem Fahrzeug mit CAN-Bus nach etwa drei Minuten alle Steuergeräte
in den Sleep-Mode, um den Ruhestromverbrauch zu senken. Vor der Reparatur des Peugeot Partner
zeigte der Bus ebenfalls dieses Verhalten. Im Anschluss an die Reparatur allerdings erfolgte kein
Wechsel in den Sleep-Mode mehr, wodurch der Datenlogger dauerhaft in Betrieb gewesen wäre und
die Niedervoltbatterie in kürzester Zeit entladen hätte. Eine Anpassung der Logging-Software an das
neue Verhalten des Fahrzeugs stellte das korrekte Abschalten des PCs sicher. Im April 2014 erfolgte
letztlich der Einsatz des Handwerkerfahrzeugs in der Pilotphase. Das Handwerkerfahrzeug legte
hierbei tägliche Strecken von 20-90km zurück.
Der Fahrschulwagen konnte bereits im Dezember 2013 in der Ausbildung und somit im Pilotbetrieb
eingesetzt werden. Die Aufzeichnung der Fahrdaten erfolgte ebenfalls zu diesem Zeitpunkt. Längere
Stillstandszeiten während des Jahreswechsels haben die in Arbeitspaket 1 genannten Probleme des
Datenloggers aufgezeigt. Das Logging-System wurde daraufhin mehrfach revidiert und getestet, so
dass Fahrzeugdaten erst ab April 2014 kontinuierlich mitgeschrieben wurden. Die theoretische und
praktische Fahrausbildung mit dem Peugeot iOn erfolgte seit Dezember 2013 ohne
Unterbrechungen.
Arbeitspaket 6: Betriebswirtschaftliche Auswertung
Zeitgleich mit dem Beginn der Pilotphase im April 2014 erfolgte die Auswertung der Fahrzeugdaten.
Die Datenlogger speichern die Nachrichten in SQLite-Datenbanken, die ab einer bestimmten Größe
auf den Server geladen werden. Zu jeder Fahrt entsteht somit ein Ordner mit Datenbanken, die
zusammen eine Fahrt repräsentieren. Wie bereits unter Arbeitspaket 1 erläutert, tragen CANDatensätze einen Identifier, der den Inhalt jeder Nachricht identifiziert, sowie je acht Datenbytes, in
denen die entsprechenden Inhalte verschlüsselt sind. Um die Daten nutzbar zu machen, bedarf es
einer Sortierung und Formatierung der aufgezeichneten Informationen. Hierzu erfolgte der Einsatz
der Software Matlab der Firma Mathworks und, im Falle des Peugeot iOn, der Herstellerangaben.
Das entwickelte Skript kann über eine SQLite-Bibliothek in Matlab auf die Datenbanken und die
Inhalte der Datenbytes jeder Nachricht zugreifen. Es werden zunächst sukzessive alle Datenbanken
einer Fahrt geöffnet und die Nachrichten gleichen Identifiers gesammelt. Im Anschluss daran werden
die enthaltenen Daten formatiert. Dazu werden entsprechende Bytes zusammengeführt mittels
geeigneter Datentypkonvertierung lesbar gemacht. Zudem werden Fehlercodes innerhalb der
Nachrichten erkannt und ungültige Nachrichten gelöscht. Bei der Konvertierung werden erkannte
Fehler detailliert ausgegeben, sodass eine erste Verifikation möglich ist.
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Abbildung 3-10: Matlab-Oberfläche (Hier: Auswertung SOC)
Letztlich ergab sich die Möglichkeit, jeden einzelnen auf dem Server abgelegten Ordner mit
Datenbanken, hinsichtlich der relevanten Fahrzeugdaten auszuwerten und durch die Software
Matlab zu visualisieren. Die aufgezeichneten Informationen aus den Fahrzeugen insbesondere der
Ladezustand der Batterie wurden der Westfälischen Hochschule Gelsenkirchen zur weiteren
Bearbeitung zur Verfügung gestellt.
Abbildung 3-11: Plot Ladezyklus Peugeot iOn
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Abbildung 3-11 zeigt einen Ladevorgang des Peugeot iOn. Hieraus lassen sich Erkenntnisse wie
beispielsweise der Wirkungsgrad der Ladeelektronik des Fahrzeugs ermitteln. Eindeutig
identifizierbar ist zudem das Constant Current/Constant Voltage (CC/CV)-Ladeverfahren, bei dem die
Fahrzeugbatterie bis zu einem definierten Punkt (Gesamtspannung der Hochvoltbatterie) mit einem
konstanten Strom von etwa 8A geladen wird. Netzseitig beträgt der Strom rund 14A. Bei Erreichen
der Batteriegesamtspannung von etwa 360V ändert sich das Ladeverfahren und die Ladespannung
wird konstant gehalten während der Strom reduziert wird. Auch ist das Balancing der einzelnen
Module bzw. Zellen in den Plots zu erkennen.
Abbildung 3-12: Plot Ende Ladezyklus Peugeot iOn
Die aufgezeichneten Ladekurven des Fahrschulfahrzeugs während der Pilotphase haben ergeben,
dass der durchschnittliche Energiebezug aus dem öffentlichen Stromnetz bei etwa 6kWh liegt. Bei
einer Doppel-Fahrstunde, basierend auf dem im Konsortium beschlossenen Fahrprofil, werden im
Raum Lünen rund 25km bei einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 40km/h zurückgelegt. Der
Energiebedarf für eine solche Fahrt variierte allerdings stark. Ursächlich hierfür ist der Einsatz der
Nebenaggregate Heizung und Klimaanlage. Die Leistungsaufnahme der Heizung kann beim Peugeot
iOn bis zu 5kW betragen. Bei o.g. Fahrt ergibt sich somit ein Energiebedarf zwischen 3kWh und
5kWh. Somit lassen sich zumindest zwei Doppelstunden mit einem Peugeot iOn ohne
Zwischenladung realisieren. Bei sommerlichen Temperaturen sind ohne Einsatz der Klimaanlage bis
zu vier Doppelstunden hintereinander möglich. Allerdings ist hier unbedingt das Fahrprofil zu
berücksichtigen. Einzelne Fahrstunden, die hauptsächlich aus Überland- bzw. Autobahnfahrten
bestanden, können so bereits 4kWh ohne den Einsatz von Heizung oder Klimaanlage benötigen. So
können also höchstens drei Fahrstunden á 45 Minuten absolviert werden. Aufgrund des Zeitpunktes
der Pilotphase konnten nur wenige Daten mit aktivierter Heizung gesammelt werden.
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Abbildung 3-13: Plot Fahrzyklus Peugeot iOn
Abbildung 3-14: Plot Heizleistung und Innenraumtemperaturverlauf Peugeot iOn
Die Auswertungen der Daten des Handwerkerfahrzeugs Peugeot Partner Origin Electric Venturi
beschränken sich auf den Ladezustand der Traktionsbatterie. Leistungswerte der Heizung und
Klimaanlage fehlen aufgrund nicht vorhandener Komponenten, Informationen bzgl. des
Antriebsstrangs wurden vom Hersteller nicht zur Verfügung gestellt und konnten im Rahmen des
Projektes nicht ermittelt werden. Die zurückgelegten Strecken des Handwerkerfahrzeugs betrugen
zwischen 20 und 90km und konnten ohne Zwischenladung absolviert werden.
Abbildung 3-15: Exemplarische Route des Fahrzeugs im Handwerkereinsatz
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Die Streuung der Positionsdaten zu Beginn der Fahrt sind auf die geringe Satellitenzahl
zurückzuführen, die von der GPS-Maus empfangen wurden. Bei jedem Neustart des Datenloggers
müssen die Satelliten erst neu eingebunden werden. Dies entspricht dem Stand der Technik.
Abbildung 3-16: Plot Ladezustand Peugeot Partner Origin Electric Venturi
Abbildung 3-17: Plot Ladezyklus Peugeot Partner Origin Electric Venturi
Insgesamt wurden von beiden Fahrzeugen rund 500 Ereignisse (Fahrten und Ladevorgänge)
aufgezeichnet. Jedoch ist nur etwa die Hälfte der Datensätze sinnvoll auswertbar. Oftmals waren die
Fahrten nur von kurzer Dauer, so dass keine aussagekräftigen Daten aufgezeichnet werden konnten,
oder die Daten waren nicht plausibel. Ursächlich hierfür waren einerseits die einzelnen Steuergeräte
der Fahrzeuge, die sporadisch nicht plausible Werte senden, was auch bei konventionellen
Fahrzeugen üblich ist. Gerade das Konversions-Fahrzeuge Peugeot Partner Origin Electric Venturi war
sehr anfällig für fehlerbehaftete Datensätze, die keinen plausiblen Ladezustand der Traktionsbatterie
erkennen ließen. Andererseits reagiert der Fahrzeugbus sehr empfindlich auf Störungen von außen.
Tests mit anderen Programmen und einem OBD2-Bluetooth-Dongle haben gezeigt, dass der
elektrische Antriebsstrang allein durch die Empfangsbestätigung einer einzelnen CAN-Nachricht
derart gestört werden kann, dass die Weiterfahrt mit dem Elektrofahrzeug unmöglich wird. Alle
Fehlerleuchten in der Instrumentenkombination wurden ausgelöst und der Antriebsstrang in das
Notlaufprogramm versetzt. Alle Fehlerspeicher mussten für den einwandfreien Betrieb erst wieder
gelöscht werden.
Arbeitspaket 7: Projektkoordination
Im Rahmen der Projektkoordination wurde die Projektplanung detailliert und angepasst sowie
regelmäßige Kooperationspartnerbesprechungen durchgeführt. Für die Bearbeitung von Teilaspekten
erfolgte die Ausschreibung von Projekt- und Abschlussarbeiten. Zur Darstellung des Projektes in der
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Öffentlichkeit wurden ein Logo und diverse Poster erstellt. Es erfolgte die Teilnahme an diversen
Veranstaltungen u.a. am 5. Deutsch-Japanischen Umweltdialogforum in Berlin 2012, der
Bürgerveranstaltung „Mobil durch Eigenstrom“ in Selm, dem Koop-Kaffee an der Westfälischen
Hochschule Gelsenkirchen, dem 1. Innovationstag der Hochschule Bochum und dem 2.
Kompetenztreffen Elektromobilität. Zudem ist im WDR-Fernsehen im Rahmen der Sendung „Lokalzeit
Ruhr“ und auf dem Sender RTL „West“ über das Projekt berichtet worden.
3.2 Franz Rüschkamp und Mobile Vielfalt
Das Autohaus Rüschkamp hat für den Fahrschulbetrieb einen Peugeot iOn zur Verfügung gestellt.
Dieses Fahrzeug entspricht den Anforderungen an Kraftfahrzeuge für die Fahrschulausbildung. Der
Wagen wurde anschließend mit einer Doppelbedienung und einem Datenlogger der Hochschule
Bochum ausgestattet. Anfangs gab es Probleme mit dem Stromverbrauch des Datenloggers, wodurch
die Starterbatterie tief entladen wurde und getauscht werden musste. Änderungen am Datenlogger
lösten dieses Problem.
Für die Schulung durch die Fahrlehrer wurde gemeinsam mit dem Fahrlehrer-Verband-Westfalen und
der Hochschule Bochum ein Schulungsprogramm für Elektromobilität erarbeitet. Nach Festlegung der
Themen wurden für die Fahrausbildung geeignete Inhalte niedergeschrieben. Aus den Unterlagen ist
eine PowerPoint-Präsentation erstellt worden, die den Fahrschülern Kernthemen der
Elektromobilität und den Umgang mit Elektrofahrzeugen erläutert. Die Eignung der Präsentation
wurde zuvor im Konsortium abgestimmt. Aufgrund des hohen Informationsgehaltes musste der
Umfang gekürzt werden, da im Rahmen der Fahrausbildung der technische Teil von untergeordneter
Rolle ist. Die Vielfalt der Präsentation lässt unterschiedliche Varianten der Lehre zu, so dass
Schwerpunkte zielgruppenbezogen gesetzt werden können. Von November 2013 bis November 2014
wurden in unserer Fahrschule neun theoretische Schulungen durchgeführt (ca. alle 6 Wochen).
Neben der theoretischen Ausbildung konnten die Fahrschüler während der Projektlaufzeit das
Elektrofahrzeug Peugeot iOn in einer Doppelstunde fahren. Nach einer kurzen Einweisung auf das
Fahrzeug wurde, wie in „normalen“ Fahrstunden üblich, das Verhalten im Straßenverkehr gelehrt.
Während der Fahrt wurden u.a. die Einflüsse der Fahrweise sowie der Verwendung von Heizung und
Klimaanlage auf den Energieverbrauch und die Restreichweite erörtert und praktisch vorgeführt. Die
Fahrschüler sollten so alle Facetten der Elektromobilität „erfahren“. Gegen Ende der Doppelstunde
fand ein Rundgang um das Fahrzeug statt, bei dem neben den Antriebskomponenten auch der
Ladevorgang erklärt wurde. Abschließend haben die Fahrschüler einen Bewertungsbogen erhalten,
mit dem ihre Eindrücke und Meinungen festgehalten wurden. Von Januar 2013 bis November 2014
wurden so insgesamt bisher 127 Fahrten durchgeführt.
3.3 Westfälische Hochschule
Im Kapitel 3.3 werden im Wesentlichen die technischen Systeme der H&V Energietechnik betrachtet.
Die Erweiterung des bestehenden Energiesystems und seiner energetischen und datentechnischen
Schnittstellen war die zentrale Aufgabe der Arbeitspakete 2 und 3. Auf eine detaillierte Darstellung
des Standorts Lünen des Projektpartners Rüschkamp in der Stadt Lünen wird an dieser Stelle
verzichtet, da die dort vorhandenen Energiesysteme im Rahmen des Projekts weder erweitert noch
verändert wurden.
Die Tätigkeiten der Westfälischen Hochschule (WHS) sind hier mit Bezug zu den Arbeitspaketen (AP)
dargestellt. Im AP2 hat die WHS mit dem Projektpartner H&V Energietechnik, im AP3 mit der H&V
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Energietechnik und der Hochschule Bochum, im AP5 und AP6 mit allen geförderten Partnern
zusammen gearbeitet.
Am Standort Nordkirchen der H&V wurden die Technische Gebäudeausrüstung TGA (AP2) und das
Energiemanagementsystem EMS (AP2) erweitert, in Betrieb genommen und dokumentiert. Im
Einzelnen wurden die folgenden Arbeiten durchgeführt:
•
•
•
•
•
•
•
Erweiterung der Systemüberwachung und Steuerung, dazu
Installation zusätzlicher Messpunkte zur Erfassung von Energieflüssen (Strom, Wärme) und
Systemzuständen,
Realisierung des energetischen Gesamtsystems mit Integration des batteriebetriebenen
Elektrofahrzeugs (BEV),
Schnittstellengestaltung zur Datenübergabe (TGA-Daten) an den Server der WHS,
Realisierung der Datenübertragung,
Konfiguration des Energiemanagementsystems (SMA, GIRA) und
Technische Dokumentation der neuen Gesamtsystems.
Abbildung 3-18: Steckbrief PV-Anlage und Batteriespeicher in Nordkirchen
Alle hier beschriebenen Veränderungen der technischen Gebäudeausrüstung sowie die Konfiguration
des Energiemanagementsystems wurden mit dem Projektpartner H&V Energietechnik koordiniert,
der die Beschaffung und Inbetriebnahme der Komponenten übernommen hat.
Im Einzelnen wurden die folgenden Geräte in Betrieb genommen:
•
•
•
•
•
•
37
Energiezähler bzw. Sensoren zur Erfassung der Wärmeströme
Energiezähler zur Erfassung der elektrischen Ströme und Leistungen
KNX-Datenbus/System zur Einbindung der Sensoren
PV-Anlage (12,5 kWp) mit Steuerung SMA STP 12000TL-10 622 (s. Abbildung 3-18)
Stationärer Batteriespeicher (33,6 kWh, 3,5 kW peak) mit Steuerung SMA SI 6.0H 842
System für die zentrale Datenaufzeichnung, Steuerung und Energiemanagement GIRA
HomeServer 4
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Abbildung 3-19: Grundpanel GIRA HomeServer
Abbildung 3-20: Lastgänge des BHKW, der Wärmepumpe und der Haustechnik am 27.3.2014
Die folgenden Arbeiten wurden durchgeführt:
•
•
38
Unterstützung bei der Entwicklung einer Ladesäule In Nordkirchen (10/2013),
Schnittstellendefinition zur Datenübergabe (BEV-Daten) an den Server der WHS. (02/2014)
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Abbildung 3-21: Elektrischer und thermischer Lastgang des BHKW am 27.3.2014
Abbildung 3-22: Ladevorgang BEV an 27.3.2014
Die energie- und informationstechnischen Schnittstellen BEV/TGA (AP3) wurden geplant und als
Lastenheft beschrieben. Aufgrund der Nichterfüllung wichtiger Anforderungen bei den zur Verfügung
stehenden Ladesäulentypen des Projektpartners EBG complEo (die für den Einsatz im öffentlichen
Bereich optimiert sind) wurde auf die Stellung für beide Standort verzichtet. Die Übergabe des StateOf-Charge (SOC) wird über die Datenlogger der Fahrzeuge realisiert.
Auf die Datenfernübertragung aus dem Energiezähler der Ladesäule in Lünen wurde verzichtet, da
bei den gegebenen IT-technischen und allgemeinen Rahmenbedingungen eine Realisierung im
Rahmen des Budgets nicht möglich war. Eine Übertragung der Daten aus der Schnittstelle des hier
installierten Stromzählers vom Typ Landis+Gyr E230 wäre nur mit einem entsprechenden lokalen
Datenlogger (z.B. Baer DLM6), einem externen Modem über GSM direkt zur Hochschule oder einem
WLAN-Modem auf dem Umweg über das WLAN des Projektpartners und weiter über das Internet zur
Hochschule möglich gewesen. Die hier an die gewerblichen Partner gestellten Anforderungen waren
nicht zu erfüllen.
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Alle Voraussetzungen zur Datenübertragung waren bereits zur Jahreswende 2013/2014 gegeben, der
Pilotbetrieb (AP5) konnte jedoch wegen der Verzögerungen durch den Ausfall des Peugeot Partner
(Beschreibung in Kapitel 3.1) zu Beginn der Pilotphase erst im April 2014 beginnen.
Die Gesamtkonzeption für die betriebswirtschaftliche Auswertung (AP6) wurde bis Mai 2014 erstellt.
Das Konzept berücksichtigt den vollständigen Kostenrahmen, u.a.
•
•
•
Energiepreise, Vergütungen für Stromeinspeisungen und vermiedene Netzbelastung,
EEAbgabe,
Steuern, Versicherung, Wartung und Instandsetzung der Fahrzeuge und zusätzlichen
technischen Gebäudeausrüstung,
Kaufpreis, Wiederverkaufspreis und Austauschzyklen der Fahrzeuge.
Vorgesehen waren zum einen die Entwicklung von Einstiegsszenarien für kurz- und mittelfristige
betriebliche Investitionen (Geschäftsplan) und zum anderen eine Sensitivitätsanalyse zur
Abschätzung der Auswirkungen von veränderten Randbedingungen (Strompreisentwicklung,
Fördermöglichkeit, Batteriepreis, Fahrzeugpreis) für den Wechsel zur Elektromobilität.
Durch den frühen Ablauf des Bewilligungszeitraums wurde die Zeit für die Bearbeitung der
Arbeitspakete
•
•
•
•
Erhebung und Auswertung der Daten aus den Sommermonaten,
Entwicklung von Szenarien für Geschäftspläne,
Bewertung der entwickelten Szenarien und
Sensitivitätsanalyse
verkürzt. Da sowohl der Zeitrahmen als auch die Personalkosten budgetiert waren, wurde die
Verlängerung des Bewilligungszeitraums vorgeschlagen und vom Projektträger befürwortet.
Des Weiteren hat die WHS die Koordinierung der Öffentlichkeitsarbeit (AP5, AP6) übernommen und
dabei mit allen Projektpartnern, insbesondere mit dem Fahrlehrer Verband Westfalen e.V. und der
Fahrschule Mobile Vielfalt zusammen gearbeitet. Die Aktionen der Partner sind im Kapitel 6.5
chronologisch aufgelistet. Neben den fachlich orientierten Aktionen wurde das Projekt bei einer
Reihe von Bürgerveranstaltungen, so z.B. auf einer Bürgerveranstaltung der SPD Selm am 12.5.2014
vorgestellt und diskutiert. Während der Projektlaufzeit und darüber hinaus fand das Projekt weite
Beachtung im Rahmen des Masterplans Energiewende der Stadt Dortmund. Der Verfasser gehört seit
Projektbeantragung zum Dortmunder Strategiekreis Elektromobilität und zum Konsultationskreis für
Energieeffizienz und Klimaschutz.
Zum Schwerpunkt Systemintegration BEV/TGA und zu den Themenbereichen Micro-Smart-Grid und
Verwendung von Eigenstrom für Elektromobilität sind für das Jahr 2015 bereits weitere Beiträge der
Westfälischen Hochschule zu Veranstaltungen im gesamten Bundesgebiet angefragt.
3.4 H&V Energietechnik
Arbeitspaket 2: Technische Gebäude Ausrüstung (Krause, WHS und Vogt/Hörstrup, H&V)
Die technische Gebäudeausrüstung TGA (AP2) ist für unseren Betrieb am Standort Nordkirchen den
Projektanforderungen entsprechend erweitert worden. Im Einzelnen wurden bis Ende April 2014 die
folgenden Arbeiten durchgeführt:
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•
•
Realisierung des energetischen Gesamtsystems mit Integration des batteriebetriebenen
Elektrofahrzeugs (BEV),
Technische Dokumentation der Gesamtsystems.
Das Energiemanagementsystem EMS (AP2) ist für unseren Betrieb am Standort in Nordkirchen
erfasst, erweitert und dokumentiert worden, i.e.
•
•
•
Schnittstellengestaltung zur Datenübergabe (TGA-Daten) an den Server der WHS,
Realisierung der Datenübertragung und
Konfiguration des Energiemanagementsystems.
Alle hier beschriebenen Veränderungen der technischen Gebäudeausrüstung und des
Energiemanagementsystems wurden mit dem Projektpartner Westfälische Hochschule WHS
koordiniert, der bei der Dokumentation, Planung, Auswahl und Auslegung unterstützt hat.
Arbeitspaket 3: Ladesäule (Krause, WHS und Vogt/Hörstrup, H&V)
Die energie- und informationstechnischen Schnittstellen BEV/TGA (AP3) wurden im April 2014
fertiggestellt.
Abbildung 3-23: Ladesäule mit Fahrzeug vor dem Betrieb in Nordkirchen
Arbeitspaket 5: Pilotbetrieb (Krause, WHS und Vogt/Hörstrup, H&V)
Der Pilotbetrieb (AP5) konnte dagegen bedingt durch die oben beschriebenen Verzögerungen im
Projektverlauf erst Ende März 2014 starten. Der Peugeot Partner wurde in den Monaten April bis
Oktober 2014 ca. 7.000 km bewegt. Das entspricht einer Wochenleistung von 241 km, bzw. einem
Tagesdurchschnitt von 48 km.
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Abbildung 3-24: Fahrtrouten Peugeot Partner vom 21.10.2014 - 24.10.2014
Während der Pilotphase wurde das Betriebsverhalten durch
•
•
die Optimierung der Parametrierung des Stromspeichers sowie
die Steuerung der Stromerzeugung durch das BHKW in Abstimmung mit dem Ladevorgang
des Elektrofahrzeugs
variiert.
Arbeitspaket 6: Betriebswirtschaftliche Auswertung (Krause, WHS und Vogt/Hörstrup, H&V)
Die Daten zur weiteren betriebswirtschaftlichen Auswertung durch die Westfälische Hochschule
wurden zusammenstellt und übergeben. Die Daten für das abgeschlossene Geschäftsjahr (2014)
werden noch bearbeitet und zeitnah übergeben.
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4
Forschungsergebnisse
Das Projekt eDrivingSchool konnte mit Erfolg abgeschlossen werden, so dass nach Projektende alle
erwarteten Teilergebnisse vorliegen und auch das übergeordnete Ziel des Projekts erreicht wurde. Im
Folgenden werden die erzielten Ergebnisse erläutert.
4.1.1 Akzeptanzsteigerung Elektromobilität
Im Rahmen der Fahrausbildung wurden insgesamt 77 Fahrten in 146 Stunden mit dem Peugeot iOn
durchgeführt. Die Auswertung der aufgezeichneten Fahrzeugdaten hat gezeigt, dass während einer
Doppel-Fahrstunde eine Strecke von durchschnittlich etwa 25km bei einer Geschwindigkeit von etwa
<40km/h zurückgelegt wurde. Diese Werte variieren je nach Streckenprofil. Bei Fahrten mit höherem
Überland- und Autobahnanteil wurden Durchschnittsgeschwindigkeiten von rund 70km/h erreicht
und Strecken von 45km zurückgelegt.
Das Feedback der Fahrschüler zeichnet ein positives Bild für die Elektromobilität. Durch
unterschiedliche Fragestellungen wurden im Anschluss an die Fahrten die Eindrücke der Fahrschüler
gesammelt und analysiert. Im Folgenden werden einzelne Aspekte der Befragung näher betrachtet.
Abbildung 4-1: Ergebnis Vorkenntnisse Elektromobilität
Ziel der ersten Frage war es herauszufinden, ob die Fahrschüler bereits erste (theoretische)
Erfahrungen mit dem Thema Elektromobilität und Elektrofahrzeugen gesammelt haben. Da es sich
bei den Fahrschülern um junge Menschen im Alter von 16-18 Jahren handelt, erfolgt der erste
Kontakt üblicherweise im Schulunterricht. Sehr aufgeschlossen für die Thematik präsentierten sich
die Teilnehmer im Theorieunterricht. Entsprechend hoch war die Nachfrage für die praktische
Fahrausbildung.
Abbildung 4-2: Ergebnis Spaßfaktor "Elektrofahrzeug"
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Der Bewertungsbogen sollte von den Fahrschülern im direkten Anschluss an die Fahrstunde
ausgefüllt werden. Der Spaßfaktor beim Fahren mit einem Elektrofahrzeug wurde von den
Teilnehmern sehr positiv bewertet. Diese Erfahrung wurde in der Gruppe geteilt, so dass die Anfrage
nach Fahrstunden mit dem Elektrofahrzeug anstieg. Hierbei muss erwähnt werden, dass im Rahmen
des Projektes die Fahrstunde mit dem Elektrofahrzeug kostenlos angeboten wurde. Kein Fahrschüler
äußerste sich negativ über das Fahrerlebnis.
Abbildung 4-3: Ergebnis Empfehlung Elektrofahrzeug
Die positiven Eindrücke der Fahrschüler spiegeln sich in der Frage wider, ob sie das Fahren mit einem
Elektrofahrzeug weiterempfehlen würden. Nachdem das Fahren positiv bewertet wurde, galt es zu
ermitteln, welche Vor- und Nachteile die Fahrschüler in der Elektromobilität sehen.
Abbildung 4-4: Ergebnis Vor- und Nachteile Elektrofahrzeuge
Die genannten Nachteile wurden näher hinterfragt, um die Schwächen der Elektrofahrzeuge aus
Nutzersicht ermitteln zu können. Während Umfragen bei langjährigen Autofahrern stets die
Reichweite als großes Manko bei Elektrofahrzeugen ergeben, ist für die junge Generation die Dauer
eines Ladevorgangs nachteilig. Der Wunsch einer kürzeren Ladedauer impliziert dennoch eine
Steigerung der Reichweite.
Zu Beginn des Projektes standen die Fahrschüler der Elektromobilität offen gegenüber. Das Interesse
in der Zielgruppe war vorhanden, aber die Bereitschaft, ein Elektrofahrzeug für den Individualverkehr
einzusetzen, war aufgrund mangelnder Erfahrung nicht ausgeprägt. Nach Absolvieren der Fahrstunde
mit dem Elektrofahrzeug konnte die Bereitschaft zum Kauf eines solchen Fahrzeugs teilweise
gesteigert werden.
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Abbildung 4-5: Ergebnis Motivation zum Kauf eines Elektrofahrzeugs
Der Ansatz, jungen Generationen gleich zu Beginn des Autofahrerlebens eine Alternative zu
konventionellen Fahrzeugen aufzuzeigen, hat sich als erfolgreich dargestellt. Mehr als die Hälfte der
befragten Fahrschülerinnen und Fahrschüler könnten sich vorstellen, ein Elektrofahrzeug
anzuschaffen. Zur Steigerung der Akzeptanz ist aus Sicht der Teilnehmer dennoch ein Kaufanreiz
wünschenswert.
Abbildung 4-6: Ergebnis Kaufanreiz Elektrofahrzeug
Abschließend wurde hinterfragt, ob das Elektrofahrzeug aus Sicht der Fahrschülerinnen und
Fahrschüler das Transportmittel der Zukunft sei. Alle Teilnehmer waren der Ansicht, dass kein Weg
an der Elektromobilität vorbeiführt.
4.1.2 Aufbau von Know-how im Bereich Datenlogging
Die Mitarbeiter des Instituts für Elektromobilität haben durch die Entwicklung eines DatenloggingSystems maßgeblich Know-how aufgebaut. Dies betrifft die Bereiche Schaltungs- und SoftwareEntwicklung, Messtechnik, Evaluation und Funktionale Sicherheit. Es sind über die tatsächlich
umgesetzten Ergebnisse hinaus vielfältige Simulationen und Überlegungen angestellt worden, mit
denen das Datenlogging optimiert werden kann. Im Rahmen des Projektes wurde eine Schaltung zur
autarken Inbetriebnahme, also ohne erforderlichen Nutzereingriff, entwickelt. Die Projektmitarbeiter
und das Institut für Elektromobilität haben das erworbene Wissen bereits in andere Projekte und
Arbeiten einfließen lassen.
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4.1.3 Curricularer Leitfaden für Elektromobilität
Der im Rahmen des Projektes gemeinsam mit der Fahrschule Mobile Vielfalt GmbH und dem
Fahrlehrer-Verband-Westfalen e.V. entwickelte Leitfaden für Fahrlehrer und Fahrschüler konnte
erfolgreich in der Pilotphase getestet werden. Das Feedback der Teilnehmer war einstimmig positiv.
Die Mitarbeiter des Instituts für Elektromobilität konnten hierdurch weiteres Know-how im Bereich
der Erstellung didaktischen Materials gewinnen, wodurch die Lehre an den Hochschulen weiter
optimiert werden kann.
Aus Sicht der Franz Rüschkamp GmbH & Co. KG und der Mobilen Vielfalt GmbH & Co. KG war das
Projekt ein voller Erfolg. Das Elektroauto als Fahrschulwagen wurde von zahlreichen Schülern
genutzt. Sie waren durchweg vom Fahrverhalten des Elektroautos begeistert und ihr Interesse an der
Elektromobilität konnte gesteigert werden. Im Folgenden werden die einzelnen Ergebnisse erörtert.
4.2.1 Akzeptanzerhöhung
Im Rahmen des Projekts eDrivingSchool ist Fahrschülern die Möglichkeit gegeben worden, erste
Erfahrungen mit der Elektromobilität zu sammeln. Das Feedback der Fahrschüler hat gezeigt, dass
Menschen von dieser Mobilitätsform überzeugt werden können. Fahrschüler sind die künftigen
Käufer von Elektrofahrzeugen. Hierdurch wird langfristig die Position des Autohauses Rüschkamp
gestärkt. Zudem lieferte das Projekt Ansätze, aus denen neue Geschäftsmodelle für den Absatz von
Elektrofahrzeugen entwickelt werden können.
4.2.2 Aufbau von Know-how im Bereich Elektromobilität
Durch die enge Verzahnung der am Vorhaben beteiligten Hochschulen mit der Mobilen Vielfalt
konnte durch die Entwicklung eines Schulungsprogramm Know-how in dem Thema Elektromobilität
aufgebaut bzw. vertieft werden. Der Einsatz des Peugeot iOn in der Fahrausbildung hat auch bei den
Fahrlehrern selbst dazu beigetragen, die Fahrweise mit einem Elektrofahrzeug effizienter zu
gestalten. Die Mitarbeiter der Fahrschule sind in die Lage versetzt worden, Fahrschülern sowie
anderen Fahrlehrerinnen und Fahrlehrern bei Fragen zur Elektromobilität helfen zu können.
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4.3.1 Kopplung von TGA und Elektrofahrzeug
Energetische Systeme
Die Westfälische Hochschule hat neue Erkenntnisse zu folgenden Punkten erworben:
•
•
•
•
•
Bedarfsgerechte Auslegung bzw. Dimensionierung von PV-Anlage am Beispiel der Anlage der
H&V Energietechnik in Nordkirchen
Bedarfsgerechte Auslegung bzw. Dimensionierung von Energiespeichern unter
Berücksichtigung der besonderen Anforderungen der Elektromobilität am Beispiel der Anlage
der H&V Energietechnik in Nordkirchen
Auswahl und Einsatz von Energiemessgeräten (für Strom und Wärme)
Technische Systeme zur Aufzeichnung und Steuerung der energetischen Systeme (EMS =
Energie Management System)
Übertragung und Auswertung von Realdaten
Abbildung 4-7: Skizze des Gesamtsystems in Nordkirchen
Bis Oktober 2014 wurden die folgenden Ergebnisse erzielt.
•
•
•
47
Die Einbindung der Fahrzeugdaten (SOC, GPS-Daten) wurde in Zusammenarbeit mit der HS
Bochum erreicht. Auch die GPS-Daten des Peugeot Partner wurden mit Beginn der KW 36,
also ab 1.10. aufgezeichnet.
Die Datenübertragung zwischen H&V und WHS funktioniert seit April 2014 fortlaufend
fehlerfrei, jeweils am Ende der Woche wird ein kompletter Datensatz der TGA-Daten auf den
Server der WHS überspielt (siehe Abbildung 4-13).
Die Darstellung der Lastgänge auf der Basis der von H&V übermittelten Daten aus der TGA
ist möglich und ermöglicht die Optimierung des Betriebsverhaltens durch Abstimmung der
Erzeugung und des Verbrauchs von Strom unter Berücksichtigung des für die Speicherung
von Wärme zur Verfügung stehenden Potenzials (siehe Abbildung 4-10 und Abbildung 4-11).
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Die Dokumentation umfasste
•
•
•
R&I-Fließschema mit einer Planung zusätzlich notwendiger MSR-Komponenten
Lastgänge Sommer/Übergang/Winter beginnend mit dem Sommer 2014
Sankey-Diagramme Sommer/Übergang/Winter
Abbildung 4-8: Plan der Wärmeanlagen in Nordkirchen
Die Lastgangkurven zeigen den zeitlichen Verlauf der momentanen Leistung der in Abbildung 4-9
aufgelisteten Erzeuger und Verbraucher. Dabei wird der Bezug vom EVU als Energieerzeugung
verstanden, ebenso die Entladung des Batteriespeichers.
Abbildung 4-9: Lastgangkurven - Erklärung der Abkürzungen
Nach dem 1. Kirchhoffschen Gesetz (Knotenregel) lassen sich die Ströme auf der Sammelschiene
bilanzieren. Daraus wird eine Darstellung der Regelgüte abgeleitet, die die Bewertung der Qualität
der Energiemessung erlaubt, siehe Abbildung 4-11.
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Abbildung 4-10: Lastgangkurven in Nordkirchen vom 27.10. - 3.11.2014
Abbildung 4-11: Lastgangkurven in Nordkirchen am 27.10.2014
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Variantenbildung Datenlogger
Durch den Ausbau der Datenlogger aus den Fahrzeugen entfällt die Möglichkeit, Informationen über
die Routen der Fahrzeuge und weitere fahrzeugspezifische Daten zu erhalten. Die WHS denkt zurzeit
über ein Projekt zur Ermittlung einer Reihe von notwendigen Daten nach, dass auf der Basis von
Smartphones mit geeigneter Software laufen soll. Da die notwendige Standardisierung einer
entsprechenden fahrzeugseitigen Schnittstelle durch die Automobilindustrie bis auf weiteres nicht zu
erwarten ist, gibt es keine einfache Lösung zur Übertragung des SOC. Routendaten jedoch sind relativ
unproblematisch darstellbar.
Die Abbildung 4-12 zeigt oben links das System mit grau hinterlegter fahrzeugseitiger Datenerfassung
mittels SFF-PC, links mit grau hinterlegter gebäudeseitiger Datenerfassung. Der Entfall des Embedded
PC der HS Bochum erfordert die Suche nach einer neuen Lösung mit den im unteren Bild schematisch
dargestellten Funktionalitäten.
Abbildung 4-12: Variantenbildung Datenlogger
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Auswertung der Daten
Die Westfälische Hochschule Gelsenkirchen erhält die Daten (Flatfiles) auf zwei Wegen. Zum einen
vollautomatisiert aus den beiden Elektrofahrzeugen durch integrierte Bordcomputer. Zum anderen
teilautomatisiert über FTP-Clients aus dem Gebäude von H&V Energiesysteme.
Die Daten aus den Elektrofahrzeugen stammen aus dem CAN-Bussystem sowie aus einem extern
angebrachten GPS-Empfänger. Der integrierte Bordcomputer operiert als (Fahrzeug)-Datenlogger
und sammelt sekündlich einen Satz von relevanten CAN-Busdaten, sowie die Koordinaten als GPGGADatensatz ein, welche bereits nach wenigen Sekunden auf dem Datenserver der Westfälischen
Hochschule zur Weiterverarbeitung bereitstehen. Die übertragenen Daten liegen als Datenbank(DB)Datei vor und können daher mit z.B. SQL-Lite bearbeitet werden. Folgendes Format zeigt den Aufbau
des GPGGA-Datensatzes:
Global Positioning System Fix Data (GGA)
$GPGGA,HHMMSS.ss,BBBB.BBBB,b,LLLLL.LLLL,l,Q,NN,D.D,H.H,h,G.G,g,A.A,RRRR*PP
Neben den Standortinformationen kann über diesen Datensatz der Zeitstempel bezogen werden.
Die CAN-Busdaten liefern nach spezieller Datenbankabfrage den Batteriestand / State Of Charge
(SOC) des Fahrzeuges. Die gelieferten Daten hatten folgendes Format:
Der SOC wird über eine eigene feste ID gefiltert. Danach können die Byte-Werte ausgelesen und über
einen Algorithmus mit dem Zeitstempel der GPS-Daten verknüpft werden. Zu einem gewählten
Zeitpunkt liegt damit der Batteriestand und der Standort vor.
H&V Energiesysteme in Lünen sorgte für eine zyklische Bereitstellung von Energiedaten aus dem
Gebäude. Die Energiedaten werden wöchentlich als Paket von mehreren CSV-Dateien auf den
Datenserver der Westfälischen Hochschule Gelsenkirchen übertragen.
Folgende Struktur lag im Rohformat vor:
Gebäude (EVU)
(1) Datum+Uhrzeit
(2) HV 1 Zählertyp
(3) HV1 Wirkenergie KWH
(4) HV1 Erzeugte Wirkenergie KWH
(5) HV 1 Wirkleistung Gesamt
(6) HV 1 Wirkleistung L1
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BHKW (Thermisch)
(1) Datum+Uhrzeit
(2) BHKW Verbrauch Aktuelle Leistung
(3) BHKW Verbrauch aktueller Verbrauchswert
(4) BHKW Verbrauch Vorlauftemp
(5) BHKW Verbrauch Rücklauftemp
(6) BHKW Verbrauch Moment Durchfluss
BHKW (Elektrisch)
(1) Datum+Uhrzeit
(8) HV 2 Strom L1
(9) HV 2 Strom L2
(10) HV 2 Strom L3
(11) HV2 Wirkleistung KWH
Wärmepumpe
(1) Datum+Uhrzeit
(5) HV3 Wirkleistung KWH
Batteriespeicher (SMA Sunny Island)
(1) Datum+Uhrzeit
(8) HV 4 Strom L1
(9) HV 4 Strom L2
(10) HV 4 Strom L3
Photovoltaik-Anlage (SMA Tripower)
(1) Datum+Uhrzeit
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(8) HV 5 Strom L1
(9) HV 5 Strom L2
(10) HV 5 Strom L3
Produktionsverbrauch
(1) Datum+Uhrzeit
(8) HV 6 Strom L1
(9) HV 6 Strom L2
(10) HV 6 Strom L3
Elektrofahrzeug (BEV)
(1) Datum+Uhrzeit
(2) HV7 Zählerstand KWH
(3) Auto A Wirkleistung
(4) Auto A Strom
(5) Auto A Spannung
Die gesamten Daten wurden mit dem Werkzeug „OpenRefine“ in das richtige Endformat gebracht.
Zuerst müssen dafür alle vorliegenden Daten geladen werden und ein Template für die
Ausgangsdaten erzeugt werden. Nach erfolgter Formatierung liegen die benötigten Daten für den
ausgewählten Zeitraum vor und werden schließlich mit Excel visualisiert.
Eine Darstellung des Gesamtsystems bzw. der Abläufe zur Erfassung, Übertragung, Sammlung und
Aufbereitung der Daten zeigt die Abbildung 4-13.
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Abbildung 4-13: Datenlogging und Datenauswertung - Stand April 2014
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4.3.2 Geschäftsplan und Finanzierungskonzept
Die Gesamtkonzeption für die betriebswirtschaftliche Auswertung (AP6) wurde bis Mai 2014
erstellt. Das Konzept berücksichtigt den vollständigen Kostenrahmen, i.e.
•
•
•
Energiepreise, Vergütungen für Stromeinspeisungen und vermiedene Netzbelastung bei
KWK-Strom, EE-Förderung bei PV, kommende Entwicklungen der Förderpolitik,
Steuern, Versicherung, Wartung und Instandsetzung der Fahrzeuge und zusätzlichen
technischen Gebäudeausrüstung,
Kaufpreis, Wiederverkaufspreis und Austauschzyklen der Fahrzeuge.
Vorgesehen ist zum einen die Entwicklung von Einstiegsszenarien für kurz- und mittelfristige
betriebliche Investitionen (Geschäftsplan) und zum anderen eine Sensitivitätsanalyse zur
Abschätzung der Auswirkungen von veränderten Randbedingungen (Strompreisentwicklung,
Fördermöglichkeit, Batteriepreis, Fahrzeugpreis) für den Wechsel zur Elektromobilität.
Durch die Ausschöpfung des Personalbudgets bis Ende September 2014 blieb keine Zeit für die
weitere Bearbeitung des AP6, insbesondere der Aspekte
•
•
•
Entwicklung von Szenarien für Geschäftspläne,
Bewertung der entwickelten Szenarien und
Sensitivitätsanalyse.
Da die Bearbeitung dieser Aspekte von großer Bedeutung für die weitere Arbeit, das laufende FuEProjekt (SyncFueL, siehe Kapitel 6.3) und weitere zurzeit geplante neue Projekte der Hochschule ist,
wird fortlaufend daran gearbeitet. Für die Ergebnisse wird auf die kommenden Veröffentlichungen
der Westfälischen Hochschule hingewiesen.
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Aus Sicht der H&V Energietechnik GmbH & Co. KG war das Projekt ein voller Erfolg. Der elektrische
Kleintransporter wurde vollwertig im Dienstbetrieb eingesetzt. Die Mitarbeiter waren haben das
Elektrofahrzeug als vollwertigen Ersatz akzeptiert.
4.4.1 Regelbetrieb eines batteriebetriebenen Kleintransporters
Über den Rahmen des Projekts eDrivingSchool hinaus setzen wir nun das Elektrofahrzeug ein. Wir
sind mit der Nutzung zufrieden, denn das Auto ist ein voller Ersatz zu den üblich genutzten
Fahrzeugen mit fossilen Brennstoffen. Der nutzbare Radius entspricht bis auf wenige Ausnahmen
unserem Nutzungsprofil. Nach anfänglichen Schwierigkeiten (Batterie) mit der Zuverlässigkeit des
Fahrzeuges, welche behoben worden sind, läuft das Auto sehr zuverlässig. Das Auto wird von den
Mitarbeitern gerne genutzt. Hilfreich dabei ist auch die integrierte Standheizung des Fahrzeugs.
Etwas negativ wird das Piepsen bzw. Pfeifen des Elektromotors empfunden.
Ein weiterer positiver Effekt ist das Fehlen von Tankquittungen.
4.4.2 Aufbau von Know-how im Bereich Systemintegration
Durch die im Verlauf des Projekts erworbenen praktischen Erfahrungen im Umgang mit dem Gira
HomeServer 4.0 konnten alle elektrischen und thermischen Energieflüsse aufgezeichnet, bewertet
und durch die Parametrierung der technischen Subsysteme optimiert werden. Dadurch wurden die
elektrischen und thermischen Verbräuche transparent, die Visualisierung erfolgt auf einem I-Pad
oder I-Phone. Alle angeschlossenen Verbraucher können bedarfsorientiert zu- und abgeschaltet
werden, um einen optimalen Energiefluss zu bekommen.
Die Energiesysteme der H&V Energietechnik bestehen bei Projektende aus folgenden Anlagen:
Blockheizkraftwerk
(BHKW)
Typ: H&V Energietechnik ETA F 2900
Elektrische Erzeugerleistung: 2,9 kW
Wärmeleistung: 13 kW
Luft-Wärmepumpe
Wärmespeicher
Typ: Bartl ECO 12 LCI-T
Elektrische Stromaufnahme: 4,1 kW
Heizleistung: 14,2 kW
Typ: NEHS NPS 1500, NEHS NPS 300
Inhalt der Schichtspeicher: 1.800 l
Photovoltaik
Installierte Leistung von 12,5 kWp,
51 Platten in einem Winkel von 30°,
Wechselrichter: SMA Tripower
Batteriestation
2x36 Stück Bleibatterien
Kapazität: 33,6 kWh
Steuerung: SMA Sunny Island
Ladesäule
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Siehe Abbildung 3-23
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Eigenbau
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Elektrofahrzeug€ der H&V Energietechnik bei Projektende:
Elektrofahrzeug
Typ: Peugeot Partner electric
Verbrauch: 21,6 kWh / 100 km
Reichweite: 120 km
Ladezeit: 8 Stunden
Siehe Abbildung 3-23
Wie in Kapitel 2.4 beschrieben, waren die Wärmepumpe und das BHKW bereits vorhanden. Weitere
Komponenten wurden im Projektverlauf beschafft, siehe Kapitel 3.4.
Die Gebäudetechnik bei H&V Energietechnik baut auf dem KNX/EIB-Standard auf und eignete sich
besonders gut für das Vorhaben. KNX ist der Nachfolger von EIB, einem Feldbussystem für die
Gebäudeautomation. Die technische Umsetzung der physischen Struktur (Netztopologie), der
logischen Struktur (Programmierung) sowie die Konfiguration des Systems wurden im Projektverlauf
von H&V umgesetzt. Die KNX-basierten Stromzähler liefern die Messwerte für das zentrale
Energiemanagementsystem, dem Gira Homeserver 4.0 (Abbildung 4-14).
Abbildung 4-14: GIRA HomeServer 4.0
Die erfassten Energiedaten können über das Human Machine Interface (HMI) des Gira HomeServer
direkt abgerufen und ausgewertet werden (siehe Abbildung 3-20ff). Für die weitergehenden
Auswertungen der Westfälischen Hochschule mussten komplexere Datenformate erzeugt werden.
Die Umsetzung wird im Kapitel 4.3.1 genauer beschrieben.
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Beitrag zu den förderpolitischen Zielen
Das Ziel der Auseinandersetzung von jungen Menschen mit der Elektromobilität wurde erreicht, die
prinzipielle Akzeptanz der neuen nachhaltigen Technologie wurde gefördert.
Eine direkte Umsetzung in eine größere Nachfrage nach Elektroautos oder nach einer
Elektroautofahrschule konnte nicht festgestellt werden. Hierbei muss berücksichtigt werden, dass die
Fahrschüler in der Regel ein Alter von 16-18 Jahren haben. Die finanziellen Möglichkeiten sind
entsprechend gering, die Anschaffungskosten eines Elektrofahrzeugs – selbst auf dem für
Elektroautos noch jungen Gebrauchtfahrzeugmarkt – dagegen hoch. Dennoch ist aufgrund des
Feedbacks der Fahrschüler davon auszugehen, dass in wenigen Jahren und mit sinkenden
Anschaffungskosten ihre Bereitschaft, ein Elektrofahrzeug zu kaufen, höher ist, als bei Personen, die
sich zuvor nicht mit dem Thema Elektromobilität beschäftigt haben.
Der Ansatz, Elektromobilität in die Fahrschulausbildung zu integrieren, ist neu und bietet der Mobilen
Vielfalt GmbH die Möglichkeit, ihr Marktpotential und Attraktivität zu steigern. Vorhandene
Barrieren bei den Kunden (potentiellen Fahrzeugkäufern) können durch den Erstkontakt mit der
Elektromobilität abgebaut werden. Somit wird mittelfristig insbesondere durch die angestrebte
bundesweite Verteilung der Ausbildungsunterlagen eine Steigerung der Absätze von
Elektrofahrzeugen erwartet. Währen der Projektlaufzeit sicherte die Hochschule Bochum zwei
Mitarbeiterstellen im Zeitraum von 2012 bis 2014.
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6
Ergebnisverwertung
Die in den Arbeitspaketen gewonnenen Erkenntnisse können sowohl innerhalb der Hochschulen als
auch von den Projektpartnern genutzt und zur Erweiterung der Kompetenzen sowie zur Steigerung
der Wettbewerbsfähigkeit eingesetzt werden.
Der entwickelte curriculare Leitfaden zur Elektromobilität kann deutschlandweit verteilt und in der
Fahrausbildung eingesetzt werden. Durch den Fahrlehrer-Verband Westfalen e.V. wurden weitere
Verbände mit dem Leitfaden ausgestattet, so dass die Einbindung des Themas Elektromobilität in die
theoretische Fahrausbildung bundesweit erfolgen kann. Eine Diskussion zur Einbettung des
Leitfadens in die Richtlinien der Fahrausbildung wurde im November 2014 angeregt. Ein Ergebnis
hierüber liegt zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht vor. Allein durch den Fahrlehrer-Verband-Westfalen
können 2.200 Fahrschulen auf den Leitfaden zugreifen und in der Ausbildung einsetzen. Die
Verwendung von Elektrofahrzeugen in der praktischen Fahrausbildung ist uneingeschränkt möglich.
Jedoch können nach aktueller Gesetzeslage keine Fahrprüfungen auf diesen Fahrzeugen
durchgeführt werden ohne eine Einschränkung der erworbenen Fahrerlaubnis auf Fahrzeuge mit
Automatikgetrieben. Da allerdings am Markt erhältliche Elektrofahrzeuge durchgängig ohne
manuellem Schaltgetriebe erhältlich sind, ist hier auf lange Sicht Nacharbeit an den
Prüfungsordnungen erforderlich.
Die Daten, die während des Projektes eDrivingSchool im Peugeot iOn aufgezeichnet wurden, können
im Institut für Elektromobilität über das Projekt hinaus vielseitig verwendet werden. Die Daten
beinhalten Lastprofile für verschiedene Komponenten, die auf realen Fahrzyklen basieren. Sie
können zur Dimensionierung von Bauteilen und zur Entwicklung eigener Betriebsstrategien in
Simulationen herangezogen werden. Ein entscheidender Punkt ist, dass die Daten es ermöglichen,
die am Institut entstandenen Simulationsmodelle von Antriebskomponenten und ganzen EVs zu
verifizieren. Werden die gefahrenen Geschwindigkeitsprofile als Eingangsgröße genutzt, können die
Energieflüsse der Simulation mit den aufgezeichneten Daten abgeglichen werden und somit die
Genauigkeit der Simulation bestimmt werden. Laufende und künftige Projekte profitieren vom
verifizierten Simulationsmodell, was dann in der Lage ist, realitätsnahe Lastprofile für beliebige
Komponenten auch mit anderen Fahrzeugparametern zu generieren. Die im Projekt gewonnene
Expertise in der Datenerfassung wird nach entsprechender Adaption der Software in weiteren
Forschungsvorhaben eingesetzt.
Das Ermitteln der Fahrzeugdaten hat gezeigt, dass die Mitarbeit der Fahrzeughersteller für die
Kopplung von Gebäudetechnik und Elektrofahrzeugen essentiell notwendig ist. Nur so ist
sichergestellt, dass der Ladezustand der Fahrzeugbatterie einwandfrei ermittelt und an die
technische Gebäudeausrüstung übertragen werden kann. Die Verschlüsselung der
Fahrzeuginformationen sollte ähnlich wie die abgasrelevanten Daten bei Fahrzeugen mit
Verbrennungsmotoren standardisiert zugänglich sein. Für die Integration eines Elektrofahrzeugs in
die technische Gebäudeausrüstung ist aktuell die Übergabe des Ladezustands der Fahrzeugbatterie
die größte Hürde, da derzeit keine geeigneten Schnittstellen verfügbar sind.
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Das gemeinschaftlich erarbeitete Schulungsprogramm für die Fahrschüler erwies sich anfangs als zu
umfangreich. Es bot sich daher an, dieses sinnvoll gekürzt in einer Doppelstunde des
Theorieunterrichtes einzusetzen. Die Inhalte stießen bei den Fahrschülern auf großes Interesse. Die
Schulungsunterlagen sind daher sehr gut geeignet, auch weiterhin von der „Mobilen Vielfalt“ im
Unterricht eingesetzt zu werden. Auch die Weitergabe an andere Fahrschulen über den
Fahrlehrerverband wurde im Konsortium erörtert.
Die durch das Projekt gewonnenen Erkenntnisse werden sowohl innerhalb der Hochschule zu
Zwecken der Lehre und Forschung als auch für weitere Forschungs- und Entwicklungsprojekte
genutzt.
Die Westfälische Hochschule hat im SS 2014 und WS 2014/2015 drei Projektarbeiten im Rahmen des
Masterstudiengangs „Systems und Facilities Management“ zur Thematik des FuE-Projekts vergeben.
Im März 2015 beginnen zwei Masterarbeiten, zwei weitere Projektarbeiten sind in Vorbereitung. Die
WHS hat erfolgreich Teilaspekte des Projekts in der Zeit ab 2012 als Seminararbeiten (SES, VEL) im
Rahmen des Bachelor- und Masterstudiums angeboten.
Die Daten, die während des Projektes eDrivingSchool mit den Fahrzeugen aufgezeichnet wurden, hat
das Institut für Elektromobilität für die Nutzung über das Projekt hinaus zur Verfügung gestellt. Die
Daten aus der TGA der H&V Energietechnik werden bis auf weiteres von der WHS gesammelt und
ausgewertet. Die Hochschule und die H&V Energietechnik erwarten daraus weitere Erkenntnisse zur
Betriebsführung von TGA-Systemen mit einer Energieerzeugung auf der Basis von EE und KWK, und
zwar sowohl mit der Möglichkeit den Eigenstrom für betriebliche Zwecken direkt zu nutzen als auch
für den im Projekt realisierten Betrieb von Elektrofahrzeugen zu verwenden.
Die WHS untersucht betriebliche Modelle zur wärmegeführten Stromerzeugung mit KWK. Dazu wird
zurzeit innerhalb des Fachbereichs ein virtuelles Kraftwerk mit allen wesentlichen Bestandteilen und
voller Funktionalität aufgebaut, das BHKWs unterschiedlicher Leistung, weitere KWK-Anlagen und
Energiespeicher einbezieht. Die vorhandenen Anlagen werden ertüchtigt und mit einem modernen
Server-Client-System zur Steuerung und Datenaufzeichnung zum Micro-Smart-Grid ausgerüstet. Das
System erlaubt als Middleware den vollen Zugriff auf alle Anlagen und besitzt die Funktionalitäten
eines virtuellen Kraftwerks inklusive der Laststeuerung von Verbrauchern.
Die Westfälische Hochschule konnte auf der Grundlage der Erkenntnisse aus dem laufenden Projekt
ein neues FuE-Projekt zur erweiterten Nutzung von im betrieblichen und privaten Bereich erzeugten
Eigenstrom akquirieren. Kooperationspartner sind das Institut ie3 der TU Dortmund (federführend),
dem Lehrstuhl für Kommunikationsnetze der TU Dortmund, der Heidelberger Services AG (hsag) und
dem Klinikum Westfalen GmbH. Das Projekt läuft vom Januar 2015 bis Ende 2017 unter dem Titel
SyncFueL – Synchronisierter Eigenstrom für die Ladung von Elektrofahrzeugen, es wird im Rahmen
der Modellregion Elektromobilität Rhein-Ruhr mit über 1,8 Millionen Euro auf der Grundlage der
Förderrichtlinie Elektromobilität vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur
(BMVI) gefördert. Die WHS ist für den Bereich der TGA verantwortlich.
Eine Veröffentlichung der WHS zum Thema TGA und BEV ist für das Frühjahr 2015 geplant, weitere
Veröffentlichungen der WHS zum Thema TGA und BEV werden im Rahmen des zurzeit laufenden
Projekts erfolgen.
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Durch die Mitarbeit am Projekt wurden Kenntnisse und Fertigkeiten erworben, die zukünftig die
Sicherheit und Zukunftsfähigkeit des geschäftlichen Betriebs verbessern.
Dies betrifft vor allem den Umgang mit Smart Home Komponenten, die technische Auslegung und
Dimensionierung von Energiesystemen (PV, KWK, Speicher) für die dezentrale Versorgung von
Betrieben und die Parametrierung der Steuerungssysteme und technischen Subsystemen.
Dazu kommt, dass der Primärenergieverbrauch des Betriebs durch die im Projekt neu beigestellten
Systeme erheblich gesenkt wurde. So hat sich der Stromverbrauch gegenüber dem Vergleichszeitrum
im Vorjahr auf ein absolutes Minimum verringert. Die Verbindung zum lokalen Stromnetzbetreiber
dient jetzt nur noch der Stabilität des eigenen Netzes, eine Netzbelastung durch Einspeisung oder
Netzbezug ist praktisch nicht mehr vorhanden.
Der für das Projekt aus eigenen Mitteln beschaffte Kleintransporter ist ein gleichwertiger Ersatz für
ein Fahrzeug gleicher Größe mit Verbrennungsbetrieb. Die bauartbedingten Mehrkosten für den
Elektro-Transporter werden sich über den Betrieb mit Eigenstrom in den nächsten rentieren.
Abbildung 6-1: Fuhrpark der H&V Energietechnik
Sollten sich die Wartungskosten im erwarteten Rahmen bewegen und die Probleme mit der
Antriebsbatterie nicht mehr auftreten, liegt für die nächsten Jahre die Anschaffung eines zweiten
Elektro-Transporters im Rahmen der finanziellen und betriebstechnischen Möglichkeiten des
Standorts in Nordkirchen.
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6.5
Darstellung des Projekts in der Öffentlichkeit
Zur Darstellung des Projektes in der Öffentlichkeit wurden beide Fahrzeuge mit dem Projektlogo,
dem Projekttitel und den Förderrichtlinien foliert. So ausgestattet nahmen die Fahrzeuge auch an der
23. Internationalen Tour de Ruhr 2014 (Rallye für Elektroautos) teil, bei der den Teilnehmern u.a. das
Projekt an den Standorten Gelsenkirchen und Nordkirchen vorgestellt wurde.
Abbildung 6-2: Teilnahme an der Tour de Ruhr 2014
Die Teilnahme an den Kompetenztreffen Elektromobilität in den Jahren 2013 und 2014 erfolgte u.a.
im Rahmen der Poster-Session. Zudem ist im WDR-Fernsehen im Rahmen der Sendung „Lokalzeit
Ruhr“ und auf dem Sender RTL „West“ über das Projekt berichtet worden.
Diese und weitere Veranstaltungen zum Projekt sind in der folgenden Aufstellung chronologisch
gelistet.
Öffentlichkeitsarbeit und Vortragstermine vor dem Kick-Off im November 2012
•
•
•
Fachvortrag bei den Jahrestagungen der vier Regionalgliederungen des Fahrlehrerverbandes
Westfalen im November 2011 (15.10. Iserlohn, 5.11. Billerbeck, 12.11. Herford, 26.11. OerErkenschwick), T. Krause, Westfälische Hochschule, Titel: „eDrivingSchool – ein Projekt zur
Etablierung der Elektromobilität“ in Verbindung mit der Möglichkeit, ein Elektrofahrzeug des
Projektpartners Rüschkamp zu testen.
Fachvortrag bei der 2. Elektromobilitätstagung auf dem Umweltcampus der FH Trier am
5.9.2012 in Birkenfeld, T. Krause, Westfälische Hochschule, Titel: „eDrivingSchool – ein
Projekt zur Etablierung der Elektromobilität“
Das Projekt wurde im Rahmen des 1. Kompetenztreffens zur Elektromobilität am 27.11.2012
in Essen durch Herrn Hain und Herrn Krause vertreten (Poster).
Öffentlichkeitsarbeit und Vortragstermine 2013
•
•
•
2
Filmaufnahmen für die aktuelle Stunde des WDR am 15.4.2013, Sendung in der Lokalzeit
Dortmund und Lokalzeit Ruhr des WDR 3 Fernsehens am 22.4.2013 (Abbildung 6-3).
Filmaufnahmen für RTL am 24.4.2013, Sendung im RTL-Regionalprogramm „West“.
Das Projekt wurde Mitte August 2013 in der Projektdatenbank für Elektromobilität2 des
Landes NRW gelistet und beschrieben.
http://www.elektromobilitaet.nrw.de/projekte-in-nrw/projektdatenbank.html
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•
•
•
•
Das Institut für Elektromobilität der Hochschule Bochum und die Westfälische Hochschule
sind seit Mitte 2013 in der Datenbank der Elektromobilität in NRW (Kompetenzatlas)3
gelistet.
Das Projekt wurde im Rahmen des 2. Kompetenztreffens zur Elektromobilität am 04.12.2013
in Essen durch Herrn Hain und Herrn Krause vertreten (Abstract, Poster, Abbildung 6-5).
Eine Darstellung des Projekts über den Projektpartner Rüschkamp erfolgte im
Kompetenzatlas nachhaltige Mobilität der Stadt Dortmund. Dazu gab es am 09.12.2013 eine
Veranstaltung im Dortmunder Rathaus, bei der auch der neue Kompetenzatlas4 vorgestellt
wurde.
Die Jahrestagungen der vier Regionalgliederungen des Fahrlehrerverbandes Westfalen im
November 2013 (9.11. Werl, 16.11. Billerbeck, 23.11. Herford, 30.11. Oer-Erkenschwick)
wurden auf Wunsch des Fahrlehrerverbandes Westfalen nicht begleitet.
Abbildung 6-3: Filmaufnahmen und Sendung, Lokalzeit Dortmund des WDR am 22.4.2013
Öffentlichkeitsarbeit und Vortragstermine 2014
•
•
•
•
•
3
4
5
6
Teilnahme am Fachkongress "Elektromobilität im Wirtschaftsverkehr" am 3.4.2014 in
Dortmund, Fraunhofer IML5, T. Krause, WHS, Titel: „Eigenstrom für betriebliche Mobilität“
Präsentation beim Koop-Kaffee im Rahmen des Karrieretags am 7.5.2013 in Gelsenkirchen6,
Westfälische Hochschule, Poster-Session mit Fahrzeugvorführung: „Das Projekt
eDrivingSchool - TGA und Elektromobilität“
Fachvortrag bei der ISOR Dortmund am 26.5.2014 in Dortmund, DEW217, T. Krause,
Westfälische Hochschule, Projektvorstellung: „Mobil durch Eigenstrom“
Tour de Ruhr am 6.7.20148 T. Krause, Westfälische Hochschule, Besichtigung der Labore:
„Mobil durch Eigenstrom – Projekte der WHS“ L. Hörstrup und W. Voigt, H&V Energietechnik,
Betriebsbesichtigung: „Das Pilotprojekt eDrivingSchool – dezentrale Energieversorgung für
Betriebe in der Praxis“
Vortrag bei Rotary Club Lünen-Werne am 5.8.2014, T. Krause, Westfälische Hochschule, zu
Aspekten Dezentraler Energieversorgung und Elektromobilität: „Eigenstrom für E-Mobile“
http://www.elektromobilitaet.nrw.de/kompetenzatlas/eintraege-suchen/?no_cache=1
http://www.dortmund.de/media/p/kek/downloads_kek/Kompetenzatlas_Nachhaltige_Mobilitaet.pdf , S.115
http://www.dortmund.de/de/leben_in_dortmund/umwelt/elektromobilitaet/fachkongress_elektromobilitaet/index.html
http://www.w-hs.de/kooperieren/technologietransfer/koop-kaffee/posterausstellung-im-koop-kaffee-2014/
7 http://www.isor-portal.de/39.html
8
http://isor-portal.org/2014/07/08/der-ruhr-auf-der-spur-abwechslungsreiche-tour-de-ruhr-2014/
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•
•
•
•
•
Fachvorträg bei der BS&P Verkehrsfachschule Westfalen, Lüdinghausen, am 22.8.2014 und
am 30.10.2014, T. Krause, Westfälische Hochschule, Schulungsveranstaltung für
Fahrlehrerinnen und Fahllehrer zur Elektromobilität, Titel: „Eigenstrom für E-Mobile“ in
Verbindung mit der Möglichkeit, ein Elektrofahrzeug des Projektpartners Rüschkamp zu
testen.
Teilnahme an der WissensNacht Ruhr, Dortmunder U - Zentrum für Kunst und Kreativität9,
am 2.10.2014, T. Krause, Westfälische Hochschule, Vortrag: „Was ist eigentlich ein Smart
Home?“
Die Jahrestagungen der vier Regionalgliederungen des Fahrlehrerverbandes Westfalen im
November 2014 wurden wie im Vorjahr nicht begleitet.
Vorstellung des Projekts im Rahmen des 3. Kompetenztreffens zur Elektromobilität10 am
27.11.2014 in Essen durch Herrn Hain und Herrn Krause (Abstract, Poster, Abbildung 6-5).
Teilnahme an der Fachtagung "Smart Energy 2014" der FH Dortmund am 27.11.2014 in
Dortmund11, T. Krause, Westfälische Hochschule, Kurzvortrag und Poster-Session, Titel:
„Eigenstrom für betriebliche Mobilität - das Projekt eDrivingSchool“ (Abbildung 6-4).
Abbildung 6-4: Poster-Session auf der Smart Energy 2014 am 27.11.2014
Abbildung 6-5: Poster für die NRW-Kompetenztreffen zur Elektromobilität 2013 und 2014
9
http://www.wissensnacht.ruhr/home/
10
http://www.elektromobilitaet.nrw.de/aktuelles/aktuelles-detailansicht/artikel/3-kompetenztreffen-elektromobilitaet-in-nrw/
11
http://www.smart-energy-conference.de
64
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7
Zusammenfassung der Ergebnisse
Aus Sicht der Hochschule Bochum war das Projekt eDrivingSchool ein Erfolg.
Das Ziel, eine Akzeptanzerhöhung der Elektromobilität bei den jungen Generationen zu erreichen,
wurde innerhalb der Projektlaufzeit erreicht. Im Rahmen der Arbeiten wurden theoretische und
praktische Ausbildungsinhalte erarbeitet und die Fahranfänger darin geschult. Das Feedback der
Fahrschüler wurde erfasst und ausgewertet. Die Ergebnisse der Befragung lieferten eine positive
Haltung zur Elektromobilität, Barrieren für die Anschaffung eines Elektrofahrzeugs konnten ermittelt
und durch die Partner entsprechende Lösungsansätze erarbeitet werde. Darüber hinaus können
durch die Beteiligung des Fahrlehrer-Verbandes Westfalen am Projekt alle den Verbänden
angeschlossenen Fahrschulen bundesweit mit den Schulungsunterlagen ausgestattet und eine
Integration des Themas Elektromobilität in die allgemeine Fahrausbildung auf nationaler Ebene
angeregt werden. Die Hochschule Bochum konnte ihre Expertise im Datenloggings ausbauen und die
gewonnenen Erkenntnisse in die Lehre sowie weitere Forschungsvorhaben einfließen lassen.
Abbildung 7-1: Fototermin des Konsortiums am 29.11.2013
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EM2026
05.01.2015

Sachbericht zum Projekt eDrivingSchool

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