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Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“, Institut für Automobiltechnik Dresden – IAD, Lehrstuhl Fahrzeugmechatronik Elektrifizierte Mobilität und energieeffizientes Wohnen Herausforderung: Integratives Energiemanagement der Zukunft Institut für Automobiltechnik Dresden – IAD Lehrstuhl Fahrzeugmechatronik Autor: Prof. Dr.-Ing. Bernard Bäker Datum, Ort: 10.10.13, Dresden

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Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“, Institut für Automobiltechnik Dresden – IAD, Lehrstuhl Fahrzeugmechatronik

Elektrifizierte Mobilität und energieeffizientes WohnenHerausforderung:Integratives Energiemanagement der Zukunft

Institut für Automobiltechnik Dresden – IADLehrstuhl Fahrzeugmechatronik

Autor: Prof. Dr.-Ing. Bernard BäkerDatum, Ort: 10.10.13, Dresden

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Folie 2

Agenda

II. Technischer Hintergrund

III. Strategien und Marktrückmeldung

IV. Initiativen der Elektromobilität

I. Einleitung und MotivationI. Einleitung und Motivation

V. Alternativen, Zusammenfassung und Ausblick

IAD, TU Dresden

Page 3: Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“, Institut ... · Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“, Institut für Automobiltechnik Dresden – IAD, Lehrstuhl

Einleitung und Motivation

Folie 3

Herausforderung Energieversorgung der Zukunft

IAD, TU Dresden

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Folie 4

Entwicklung der Antriebsarchitektur und Energieeffizienz

1890 Heute Zukunft

Vision energie-effizienter Fahrzeuge der ZukunftVom konventionellen Antrieb bis zu zur energieoptimalen Mobilität

En

erg

ieeff

izie

nz

des

An

trie

bs EEV*

(energie-effizientesFahrzeug)

Elektromobilität

Benzin

Diesel

Downsizing

Aufladung

AlternativeKraftstoffe

Elektrifizierungs-varianten

Asymptote energetisches Optimum

EEV: Energy Efficient Vehicle

Verbrennungsmotorreines E-Fahrzeug(galvanisch geladen,induktiv geladen,Batterieaustausch)

Micro-HybridMild-HybridPower-HybridRange-ExtenderPlug-In–Hybrid

Parallel-HybridSeriell-Hybrid

Leistungsverzweigungund Kombination

GasantriebBrennstoffzelleElektrofuels

Reduktion des energetischen Gesamtoptimierungspotenzials

IAD, TU Dresden

Zeit

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Folie 5

Modulares Gesamtfahrzeugmanagement

Modellbasierte Entwicklung und Optimierung zukünftiger, modularer, energieeffizienter Online-Betriebsstrategien mit prädiktiven und retrodiktiven (historienbasierten) Funktionsstrukturen.

Zukünftige Fahrzeug-SystemlandschaftPrädiktive Betriebsstrategien für Fahrzeuge mit modernen Antriebskonzepten

Legende:

A: Navigation/Fahrzeugdaten/Car2X-Kommunikation

B: Prädiktion/Retrodiktion

C: Fahrzyklus

D: Fahrermodell

E: Betriebsstrategie/Energiemanagement/Optimierung

F: Fahrzeugmodell/el. Energiespeicher

A B

C D E F

IAD, TU Dresden

fahrzeugintern

fahrzeugextern

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Folie 6

Agenda

II. Technischer HintergrundII. Technischer Hintergrund

III. Strategien und Marktrückmeldung

IV. Initiativen der Elektromobilität

I. Einleitung und Motivation

V. Alternativen, Zusammenfassung und Ausblick

IAD, TU Dresden

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Technischer Hintergrund

Folie 7

Herausforderung Elektromobilität der Vergangenheit

IAD, TU Dresden

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1992

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Technischer Hintergrund

Folie 8

Herausforderung Elektromobilität der Gegenwart

IAD, TU Dresden

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Technischer Hintergrund

Folie 9

Herausforderung Elektromobilität der Zukunft

Quelle: Spiegel, 2010.

Erweiterter Rohstoffbedarf: Bereits heute finden unterschiedlichste Materialien (Metalle,Kunststoffe, Fasern etc.) Einsatz im modernen Fahrzeugbau.

IAD, TU Dresden

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Folie 10

Agenda

II. Technischer Hintergrund

III. Strategien und MarktrückmeldungIII. Strategien und Marktrückmeldung

IV. Initiativen der Elektromobilität

I. Einleitung und Motivation

V. Alternativen, Zusammenfassung und Ausblick

IAD, TU Dresden

Page 11: Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“, Institut ... · Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“, Institut für Automobiltechnik Dresden – IAD, Lehrstuhl

Strategie

Folie 11

Geplante Entwicklung der Elektromobilität in Deutschland

IAD, TU Dresden

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Marktrückmeldung

Folie 12

Aktueller Bestand an Elektrofahrzeugen in Deutschland

IAD, TU Dresden

7114**

2013

**: Aktueller Standin Deutschland offiziellangemeldeter reinelektrisch fahrenderNeufahrzeuge.

Quelle: Elektromobilitätsgipfel derBundesregierung am 27. Mai 2013in Berlin.

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Fortentwicklung

Folie 13

Geplante Entwicklungen in der Elektromobilität

Quelle: Rinspeed AG, 2011.

Quelle: Volvo, 2010.

Standardisierung der LadeinfrastrukturQuelle: NPE 2011.

IAD, TU Dresden

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Folie 14

Agenda

II. Technischer Hintergrund

III. Strategien und Marktrückmeldung

I. Einleitung und Motivation

IV. Initiativen der ElektromobilitätIV. Initiativen der Elektromobilität

V. Alternativen, Zusammenfassung und Ausblick

IAD, TU Dresden

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Initiativen der Elektromobilität

Folie 15

Modellregionen der Elektromobilität in Deutschland (2010-2012) Ziel der Modellregionen ist eine zunächst zeitlich begrenzt laufende weitere Entwicklung und Erprobung aktueller und neuer Ansätze einer Elektromobilität. In den Regionen

Hamburg (Nutzung von regen. Energien, diskriminierungsfreier Zugang zur Ladeinfrastruktur und Integration der Ladesäulen in urbanes Umfeld),

Oldenburg/Bremen (Anbindung an bestehende Mobilitätsangebote für emissionsarmen Innenstadt- und Pendlerverkehr),

Potsdam/Berlin (Integration der Elektromobilität in den öffentlichen Verkehr, Tourismus sowie in die Wohnungsdienstleistung und City-Logistik),

Rhein-Ruhr (Elektroautos, -roller und -nutzfahrzeuge im Verbund mit der Ladeinfrastruktur testen),

Rhein-Main (Elektromobilität im ÖPNV in Form von Elektro- und Hybridbussen sowie Carsharing für Elektroautos an großen Bahnhöfen),

Sachsen/Dresden-Leipzig (elektrifizierter ÖPNV),

Region Stuttgart (elektrische Kleintransporter und Busse im Alltagsbetrieb) und der

Region München (Hybridbusse mit unterschiedlichen Hybridtechniken im Vergleich sowie Schnellladesysteme)

laufen hierzu verschiedene Versuche mit jeweils unterschiedlichen Inhalten und Aspekten der Elektromobilität.

IAD, TU Dresden

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Energieeffiziente Fahrzeugführung

Car-2-XFahrzeugumfelderfassung Kartendaten

BMBF Forschungsförderprojekt EFA2014/2 (2012-2014), Auszug:Energieeffizientes Fahren 2014 durch vorausschauende FahrweisePrädiktion der Verkehrssituation durch die Erfassung der Fahrzeugumgebung und die Nutzung kooperativerKommunikationssysteme Berechnung und Visualisierung einer energieoptimalen Geschwindigkeitstrajektorie

Mensch-Maschine-Schnittstelle

Folie 16

Initiativen der Elektromobilität

IAD, TU Dresden

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Initiativen der Elektromobilität

Folie 17

BMBF Forschungsförderprojekt „e-Production“ (2011-2014)

Im Rahmen der Hightech-Strategie IKT 2020 fördert das BMBF das Vorhaben „e-Production“ in der Bekanntmachung „Schlüsseltechnologien für die Elektromobilität (STROM)" mit einem Gesamtbudget von 11,3 Mio Euro.

Das Ziel des Projektes besteht darin, Kompetenzen bei der Montage von Traktionsbatterien und ein Serien-Produktionskonzept für die Energiespeicher von Elektroautos zu schaffen. Im Ergebnis der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten soll es möglich sein, elektrisch angetriebene Automobile in größeren Serien zu fertigen. Damit wird ein weiterer Schritt auf dem Weg zur Elektromobilität gegangen.

Zum Projektkonsortium zählen insgesamt 10 Mitglieder aus den Bereichen Industrie, Universitäten und Hochschulen.

IAD, TU Dresden

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Initiativen der Elektromobilität

Folie 18

Ausschreibung „Schaufenster Elektromobilität“ – Antrag der Bundesländer Bayern und Sachsen (Einreichung 16.1.12)

Berlin

Leipzig

München

In über 80 Projekten wollen ca. 150 Partner mit einem Gesamtprojektvolumen von über 200 Mio Euro grenzüberschreitende Themen im Bereich der Elektromobilität angehen.

Bei der Auswahl der ursprünglich 200 Projektideen wurde darauf geachtet, dass die eingereichten Projekte dem Anspruch des Dreiklangs - Energiesystem, Elektrofahrzeug, Verkehrssystem -entsprechen.

IAD, TU Dresden

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Folie 19

Agenda

II. Technischer Hintergrund

III. Strategien und Marktrückmeldung

IV. Initiativen der Elektromobilität

I. Einleitung und Motivation

V. Alternativen, Zusammenfassung und AusblickV. Alternativen, Zusammenfassung und Ausblick

IAD, TU Dresden

Page 20: Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“, Institut ... · Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“, Institut für Automobiltechnik Dresden – IAD, Lehrstuhl

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„AUTOmotive EnergyArchitecture“Joint Research Project IAD – EA GmbH, Dresden

EMEM

EM

journey to worktypically max. 30 km

hybrid‐electric drive trainmobile electric generator

mobile storage

stationaryregenerative power 

generation and storage

stationaryregenerative power 

generation and storage

habitation work

Common Project of: EA EnergieArchitektur GmbH (Fr. Dr. Mikoleit)Institute of Automotive Technologies Dresden - IADTU Dresden (Prof. Bäker)Funded by European Union, Sächsische Aufbaubank and private Investors

*EM: Energy ManagementIAD, TU Dresden

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Energy Management LayerOptimal Use of Renewable Energy

Nutzbare Energie

Erzeuger / Wandler

Speicher- und Energie-

management

Verbraucher

Elektro-mobilität

Monitoring

Nutzer

öffentliches Netz

elektrische Verbraucher

lokales Netz

Information

Elektrizität

lokaler elektrischer

Speicher

WindSonne

WindturbinePhotovoltaik

Energiemanagement

Wärme-verbraucher

Wärme-speicher

Umweltwärme

Vernetzung

Wärme

Wärmepumpe Kraftprozess

Virtueller Marktplatz

EWE

• Online Optimization of Energy Demand, Supply and Storage for Complex Energy Architectures

• Overall System Approach, self optimized, extendable

• Optimization criterias: Renewable Share Coverage, Availability, Costs

• Improvement of comfort due to common interface: Human - Energy System21

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Energy System Modeling Approach„Green Building Library“ – Renewable Energy Modeling

Input Data• location, climate• energy pricing• building and equipment

layout• inhabitant and demand• electric mobility

Outputs• yield and consumption• dimensions and feasibility• cost and economy• strategies for energy

management and storage

Test and Optimization• simulated trajectories or characteristic days

• optimized for real world situation• “synthetical” statistics

Model Library• producers, consumers• storages• environment and grid• vehicles

IAD, TU Dresden

Page 23: Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“, Institut ... · Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“, Institut für Automobiltechnik Dresden – IAD, Lehrstuhl

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Energy Control OptimizationHolistic Optimization Approach

Optimal Control Design and 

Energy Management

Optimal System Design

IAD, TU Dresden

Page 24: Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“, Institut ... · Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“, Institut für Automobiltechnik Dresden – IAD, Lehrstuhl

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Communication Measurement Control

Communication Measurement Control

Communication Control

Energy Transfer

Building Energy Management

“Real“ Charging Station

Simulated Building“Real“

eVehicle

Smart Energy ManagementAdaptive Energy Management Approach

IAD, TU Dresden

Page 25: Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“, Institut ... · Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“, Institut für Automobiltechnik Dresden – IAD, Lehrstuhl

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Tasks:‐Prediction of renewable energy production depending on weather forecast‐Calculation/prediction of building energy demand depending on databases and measurements‐Rule‐based planning of energy consumption, storage and device operation in building depending on renewable energy availability‐Specifies energy usable for vehicle battery charging

Smart Energy ManagementEnergy Prediction and Consumer Time Shifting

time time

Pow

er C

onsu

mption

Pow

er C

onsu

mptionSmart Power Reduction Smart Power Shifting

IAD, TU Dresden

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Energy ManagementOnline Optimization of EV-Charging

IAD, TU Dresden

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1: incl. EV for commuting with 35 km per dayincl. E‐Scooter for City Drive

• Active House

• Photovoltaic System: 14kWp

• Electric Windmill: 2 x 3,5kW

• CO2-Heat Pump for Temperatures till 100°C and high power demand

• Heat Water Pressure Storage with 700kWh Capacity

• Docking Station for car/scooter/boat

• Monitoring System

• Heat-Current-Converter(in Preparation)

• Earnings: 18.600 kWh/Jahr

• Use1: 10.800 kWh/Jahr

Sample Building in BerlinIntegrated Energy Management System

IAD, TU Dresden

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Construction Authority:EA EnergieArchitektur GmbH

2 Households

2 Business Units

Exhibition and Office Areas

PV-System on the roof

Heat Pump and Heat Water Storage integrated

Energy- and Comfortmanagement

EV Docking Station in the front of the building

EV

Construction TimeMay – October 2012

Sample Building in DresdenIntegrated Energy Management System

IAD, TU Dresden 28

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Technical Data/Specification:

Touch Sensitive Display

RFID-Registration, Move Controller,LED-Load Recommendation

400 Volt Load Plug (2x)

230 Volt Load Plug (2x)

Power Measurement and Billing

Robust and Weather Independed Housing

Individual Labeling Design

Network Interface and Remote Monitoring (incl. Smart Phone App)

Smart EV Docking Stationwith Interactive Load Control

IAD, TU Dresden 29

Contact: www.ea-energiearchitektur.de

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Summary

IAD, TU Dresden

• Our future world needs an overall energy management dealing withhousehold and mobility energy aspects as well

• Next step energy management approaches will need smart controlstrategies with predictive and historical data usage

• Upcoming house and vehicle architectures will getting more and more complexregarding different renewable energy sources and their storage challenge

• The corresponding system modeling and simulation concepts arehigh sophisticated and always depending on specific geographic, weatherand traffic situations (e.g. urban drive cycles)

• Future EV docking stations will needcommunication network connectionsand user friendly interfaces withinteractions (e.g. occupation, loadinglevel, actual energy costs)

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Page 31: Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“, Institut ... · Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“, Institut für Automobiltechnik Dresden – IAD, Lehrstuhl

BAB 17Dresden-Südvorstadt

Kontaktdaten des Lehrstuhls

Prof. Dr.-Ing. Bernard BäkerTechnische Universität DresdenFakultät für VerkehrswissenschaftenInstitut für Automobiltechnik (IAD)Lehrstuhl für Fahrzeugmechatronik

Besucheradresse:TU Gelände, Jante Bau, EG, Zimmer 1/2George-Bähr-Straße 1c01062 Dresden

Tel.: +49 (0) 351 / 463 - 34832Fax: +49 (0) 351 / 463 – 32866

Sekretariat: Frau PuschendorfTel.: +49 (0) 351 / 463 - 34180Fax: +49 (0) 351 / 463 - 32866E-Mail: [email protected]

Internet-Seite des Lehrstuhls:http://tu-dresden.de/fzm

KontaktdatenKontaktdaten

IAD, TU Dresden Folie 31