Einnahmen aus Elektrofahrzeugen ins Netz für Flotten

Jul 15, 2023

Überall in den Vereinigten Staaten, Fahrzeugflotten beginnen mit der Elektrifizierung. McKinsey schätzt, dass es bis 2030 etwa zehn Millionen Flottenelektrofahrzeuge (EVs) geben wird, sowohl batterieelektrische als auch Plug-in-Hybridfahrzeuge.1 Analyse des McKinsey Center for Future Mobility. Unterdessen bewältigen Energieversorger zahlreiche Probleme im Zusammenhang mit der Integration unterschiedlicher erneuerbarer Energiequellen wie Sonne und Wind. Der Gesamtenergieverbrauch von Elektrofahrzeugflotten wird voraussichtlich etwa 50 Terawattstunden oder 1 Prozent des gesamten Energieverbrauchs in den USA betragen.2Analyse des McKinsey Center for Future Mobility. Die Erzeugung des erforderlichen Stroms wird, wenn überhaupt, nur wenige Herausforderungen mit sich bringen. Andererseits wird die Bereitstellung dieser Strommenge zu den benötigten Zeiten und mit der erforderlichen Geschwindigkeit das Netz und insbesondere die Verteilungsinfrastruktur unter Druck setzen. Die Batterien in Elektrofahrzeugflotten bieten ein einzigartiges Potenzial zur Bewältigung dieser Herausforderungen.

Das Stromnetz – das Netzwerk aus Übertragungs- und Verteilungsleitungen und Umspannwerken, die Strom von der Erzeugung zum Verbrauch transportieren – ist auf die bestehende Verbrauchskurve und ihre typischen Nachfragespitzen ausgelegt. Elektrofahrzeuge könnten diese Spitzen verstärken und Probleme verursachen. Beispielsweise kann es an einem Zubringer in einem Viertel, in dem die Nutzung privater Elektrofahrzeuge stark verbreitet ist, plötzlich an Wochentagabenden zu einer Spitzenlast kommen, wenn Besitzer von Elektrofahrzeugen dazu neigen, ihre Fahrzeuge aufzuladen. Dieser Spitzenwert könnte den Stromkreis während dieser Stunden überlasten und Modernisierungen von Umspannwerken oder Leitern erforderlich machen, die mehr kosten als die Einnahmen aus inkrementellen Stromverkäufen. Dies könnte die Tarife für alle erhöhen.

Zu den Abkürzungen, die zur Identifizierung verschiedener Arten von Fahrzeugenergie verwendet werden, gehören die folgenden:

Versorgungsunternehmen geben jedes Jahr Milliarden von Dollar für die Modernisierung der Infrastruktur aus, um den Stromfluss zu steuern, einschließlich lokaler Spitzenlaststeigerungen. Batterien in Elektrofahrzeugen haben das Potenzial, diese Kosten erheblich zu senken, indem sie die Lastkurve ausgleichen, um die Belastung des Netzes zu reduzieren – mithilfe von Fahrzeugbatterien oder der Vehicle-to-Everything (V2X)-Technologie (siehe Seitenleiste „Definition von V2X und anderen fahrzeuggenerierten Technologien“). Energieterminologie“).

Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie die Batterie in einem Elektrofahrzeug in einem V2X-Anwendungsfall einen Mehrwert für das Netz liefern kann. Jedes bietet einzigartige Vorteile in Form von Energiekostensenkungen und zusätzlichen Einnahmen. Dieser Artikel konzentriert sich auf das Potenzial von Flottenanwendungen in einer V2X-Umgebung, das im Folgenden beschrieben wird. Es ist erwähnenswert, dass auch der private Anwendungsfall „Vehicle to Home“ sehr vielversprechend ist.

Backup-Kapazitätsprogramme nutzen EV-Batterien als Energiespeicher für die niederfrequente Stromentladung zu Zeiten mit hohem Wert, wenn der Strom am teuersten ist. Netzprogramme für Backup-Kapazität können entweder Ad-hoc-Programme sein, bei denen der Strom als Reaktion auf die Nachfrage bereitgestellt wird (ein Demand-Response-Programm), oder dem Netz über eine vertraglich vereinbarte Zahlung für Kapazität in Zeiten kritischer Angebots-Nachfrage-Diskrepanzen bereitgestellt werden (ein Programm mit fester Kapazität). . Elektrofahrzeugflotten können ihre Batterien auch für die Stromversorgung ihrer eigenen Anlagen nutzen, was als privates Backup bezeichnet wird.

Tarifoptimierungsprogramme nutzen die in einem Fahrzeug gespeicherte Energie, um den Energiebedarf zu puffern und die Stromrechnung für das Gebäude zu senken, an das das Fahrzeug angeschlossen ist. Eine Art von Tarifoptimierungsprogramm ist die Energiearbitrage, bei der aus dem Netz gekaufte Energie zu Preisen an das Netz zurückverkauft wird, die die Stromkosten an die Tageszeit anpassen, zu der sie genutzt wird, wobei zu bestimmten Zeiten höhere Preise für Strom gelten höhere Nachfrage. Dieser Tarif wird als Time-of-Use-Energiepreis bezeichnet. Alternativ könnte eine Elektrofahrzeugflotte, anstatt Energie zurück ins Netz zu verkaufen, Energie zu einem hohen Time-of-Use-Preis an ihr Gebäude senden und so Energieeinsparungen für die gesamte Anlage erzielen. Durch die Übertragung von Energie an ein Gebäude könnte eine Elektrofahrzeugflotte den Energiebedarf und die damit verbundenen Kosten senken. Bei diesem als Peak Shaving bezeichneten Ansatz wird die Energieabgabe der Flotte bei Lastspitzen an das Gebäude weitergeleitet, wodurch möglicherweise der monatliche Spitzenstrombedarf des Standorts und die damit verbundenen Kosten gesenkt werden.

Bidirektionale Systemdienstleistungen tragen dazu bei, das Netzgleichgewicht zwischen Energieerzeugung und -verbrauch aufrechtzuerhalten. Ein Serviceprogramm zur Frequenzregulierung bietet einem Elektrofahrzeugbesitzer die Möglichkeit, Ad-hoc-Zahlungen im Austausch für kurzzeitige Stromzufuhr oder -entnahme aus der Batterie seines Elektrofahrzeugs zu erhalten, die zum Ausgleich von Angebot und Nachfrage im Netz verwendet werden. Obwohl sie Frequenzregulierungsprogrammen ähneln, können Reservekapazitätsprogramme die Nutzung von EV-Energie über einen längeren Zeitraum durch ein Netz beinhalten, um in Zeiten unerwartet hohen Energiebedarfs oder geringer Energieproduktion für ein Gleichgewicht zu sorgen. Dies ist eine Möglichkeit, die Herausforderung der stundeninternen Energieprognose zu bewältigen, mit der Netzbetreiber konfrontiert sind.

Um das Umsatzpotenzial für V2X abzuschätzen, berücksichtigte McKinsey drei Hauptvariablen: Standort, Anwendungsfall und Flottenarchetyp. Der Standort der Flotte bestimmt, welcher Energieversorger und unabhängige Servicebetreiber (ISO) den Flottenkunden bedient, und bestimmt daher, welche Arten von V2X-Anwendungen den Flotten zur Verfügung stehen und zu welchen Vergütungssätzen. Zu den betrachteten V2X-Anwendungsfällen gehören Backup-Kapazität, Ratenoptimierung und Zusatzdienste. Der Zeit- und Kapazitätsbedarf für jeden Anwendungsfall variiert stark. Mithilfe von Flottenarchetypen wurde das Verhalten verschiedener Flotten modelliert, um die Bandbreite des Umsatzpotenzials zwischen den Flotten zu untersuchen. Archetypische Flottenverhaltensweisen spielen eine Rolle dabei, wann und wie das V2X-Laden am effizientesten durchgeführt werden kann.

Diese Erkenntnisse waren entwickelt vom McKinsey Center for Future Mobility (MCFM). Seit 2011 arbeitet das MCFM mit Interessenvertretern im gesamten Mobilitätsökosystem zusammen, indem es unabhängige und integrierte Erkenntnisse über mögliche Mobilitätsszenarien der Zukunft liefert. Mit unserem einzigartigen Bottom-up-Modellierungsansatz ermöglichen unsere Erkenntnisse eine durchgängige Analysereise durch die Zukunft der Mobilität – von Verbraucherbedürfnissen bis hin zu einem Modalmix in städtischen und ländlichen Gebieten, Verkäufen, Wertpools und Nachhaltigkeit des Lebenszyklus. Kontaktieren Sie uns, wenn Sie daran interessiert sind, über das McKinsey Mobility Insights Portal vollständigen Zugriff auf unsere Markteinblicke zu erhalten.

In dieser Analyse zeigte ein schwerer Lkw (HDT), ein mittelschwerer Lkw (MDT) und ein Schulbus im südkalifornischen Edison-Gebiet das Potenzial, in V2X-Anwendungsfällen jährlich 7.000 bis 12.000 US-Dollar pro Fahrzeug zu verdienen (Abbildung 1). HDT-, MDT- und Schulbusflotten können die großen Fahrzeugbatteriekapazitäten und die Gleichstrom-Schnellladeinfrastruktur nutzen, um den Umsatz und die Einsparungen durch V2X zu maximieren. Bei der Erforschung der V2X-Implementierung sind Schulbusflotten den Nutzfahrzeugflotten voraus. Verschiedene Pilotprojekte in Kalifornien, Massachusetts und anderswo haben zu positiven Ergebnissen geführt.

Unsere Analyse und Modellierung ergab vier bemerkenswerte Erkenntnisse zum potenziellen Wert von V2X und zu den zahlreichen Überlegungen und Umständen, die Anwendungsfälle für Flotten beeinflussen.

Die Verfügbarkeit, Programmstruktur und Marktpreise von V2X-Programmen variieren stark je nach Versorgungs- und ISO-Region. Die Unterschiede im Umsatzpotenzial hängen sowohl vom Versorgungsunternehmen ab, das die Region versorgt, als auch von der ISO, unter der das Versorgungsunternehmen tätig ist. McKinsey schätzt, dass die V2X-Value-Pools für einen Elektro-Schulbus beispielsweise in Georgia zwischen 1.000 und 2.000 US-Dollar pro Elektrofahrzeug pro Jahr und in Virginia zwischen 15.000 und 16.000 US-Dollar liegen könnten.

Wie in Abbildung 2 gezeigt, kann das V2X-Potenzial nicht als einheitlicher Wert für alle Elektrofahrzeuge angegeben werden. Abhängig von ihrem Standort können einige Flotten durch V2X erhebliche Einsparungen bei den Gesamtbetriebskosten erzielen und ihre Elektrofahrzeug-Infrastruktur darauf aufbauen. Für andere Flotten sind die Vorteile von V2X möglicherweise begrenzt. Die Werte basieren auf bestehenden Raten in der frühen Phase von V2X und können sich ändern, wenn V2X in größerem Maßstab implementiert wird.

Die Einnahmen aus der Übertragung von Fahrzeugen ans Netz (V2G) hängen stark davon ab, wie viel (Batteriegröße) und wie schnell (Ladeleistung) Energie von einem Elektrofahrzeug ins Netz eingespeist werden kann. Eine Sensitivitätsanalyse über V2X-Faktoren, die Batteriekapazität, Lade- und Entladegeschwindigkeit, Ladegerät-zu-Fahrzeug-Verhältnisse und Verweildauer bei Netzspitzen umfasste, ergab, dass Batteriekapazität und Lade- und Entladegeschwindigkeit die folgenreichsten Faktoren sind: eine Kapazitätssteigerung von 10 Prozent oder Geschwindigkeit führt zu einer Umsatzsteigerung von etwa 10 Prozent.

Während Kapazität und Ladegerätleistung kritische Makrofaktoren sind, variiert ihre relative Bedeutung je nach V2X-Anwendungsfall. Bei der Frequenzregelung wird Energie in kurzen Abständen schnell zur Batterie geleitet und von ihr entnommen. Folglich ist die Leistung des Ladegeräts der kritischste Faktor für die Frequenzregelung. Andererseits ist die Batteriekapazität von zentraler Bedeutung für die Energiearbitrage, bei der die Menge der zugeführten Energie der Umsatztreiber ist. Insgesamt können sowohl die Ladeleistung als auch die Batteriekapazität unter verschiedenen Umständen als verbindliche Einschränkungen wirken. Beispielsweise wird ein Elektrofahrzeug mit schwacher Batterie am Ende des Tages wahrscheinlich eine begrenzte Batteriekapazität haben, während ein Elektrofahrzeug mit größerer Reservekapazität möglicherweise stattdessen durch die Entladegeschwindigkeit begrenzt ist.

Heutzutage sind die Kosten für die Umstellung auf eine Elektroflotte erheblich. Fuhrparks gestalten ihre Ladeinfrastrukturen und Ladeprofile so, dass der Investitionsaufwand minimiert und die Betriebskosten optimiert werden. Dieser Ansatz legt nahe, dass Flotten das Ladegerät-zu-Fahrzeug-Verhältnis maximieren und die Ladegeschwindigkeit so weit wie möglich reduzieren sollten. Diese Entscheidungen können erhebliche Auswirkungen auf die Nachfragegebühren und andere Betriebskosten sowie auf die Vorabinvestitionen haben. Flottenbetreiber müssen abwägen, wie viel sie mit V2X verdienen könnten, und entscheiden, ob der Preisaufschlag für bidirektionale oder schnellere DC-Ladegeräte die potenziellen Einnahmen wert ist.

Abbildung 3 veranschaulicht den Kompromiss zwischen der Investition in mehr Ladegeräte und der Investition in schnellere Ladegeräte, um V2X-Einnahmen zu erzielen. Beispielsweise würde eine kalifornische Schulbusflotte in einem Szenario nicht genügend V2X-Einnahmen generieren, um weitere 19-kW-Ladegeräte zu rechtfertigen. Umgekehrt kompensieren die zusätzlichen V2X-Einnahmen beim Upgrade von einem 19-kW-Ladegerät auf ein 50-kW-Ladegerät die Kosten für das Upgrade vollständig. Die Berechnungen und Entscheidungen variieren stark je nach Flottenzusammensetzung, Verhalten und Standort.

Für Schnellladeflotten stellt die Frequenzregulierung ein besonders überzeugendes Geschäftsmodell dar. In Kalifornien könnte ein 50-kW-Ladegerät in einem Elektrobus allein durch Frequenzregulierung jährlich mehr als 5.000 US-Dollar pro Fahrzeug einbringen. Das Potenzial ist im PJM-Gebiet sogar noch größer. 3PJM Interconnection, eine regionale Übertragungsorganisation (RTO), koordiniert den Stromgroßhandel in ganz oder Teilen von Delaware, Illinois, Indiana, Kentucky, Maryland, Michigan, New Jersey, North Carolina, Ohio, Pennsylvania, Tennessee, Virginia, West Virginia und der District of Columbia. „Wer wir sind“, PJM, abgerufen am 26. Juni 2023. Marktpreise deuten darauf hin, dass die gleiche Kombination aus Elektrobus und Ladegerät durch die Teilnahme an der Frequenzregulierung jährlich bis zu 17.000 US-Dollar pro Fahrzeug verdienen könnte.

Die Frequenzregulierung trägt dazu bei, das Netz in Echtzeit zu verwalten, indem sie auf schnelle Signale reagiert – entweder Energie zurück ins Netz sendet oder Energie absorbiert – und wird auf der Grundlage der Leistungsabgabe (und nicht der Energie) im Rahmen einer wettbewerbsorientierten Marktauktion bezahlt. Obwohl die Frequenzregulierung ein erhebliches Potenzial birgt, gibt es viele Unsicherheiten. Erstens sind die Märkte für die Frequenzregulierung reichhaltig, aber oberflächlich. In den Vereinigten Staaten werden jeweils nur wenige Gigawatt (weniger als zehn Gigawatt) Frequenzregulierungskapazität benötigt,4Ancillary Services in the United States, Electric Power Research Institute, Juni 2019. und viele stationäre Speicherprojekte sind bereits im Bau oder operieren, um Zugang zu diesem Markt zu erhalten. Zweitens bestehen weiterhin viele Bedenken hinsichtlich der Batterieverschlechterung. Die für die Teilnahme erforderliche Mindestkapazität ist je nach Markt unterschiedlich und kann sich im Laufe der Zeit ändern.

Angesichts der Unvorhersehbarkeit der Einnahmequellen bleibt unklar, wie ein potenzieller Geschäftsfall abgesichert werden soll.

Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen auf den Märkten für Nutz- und Privatfahrzeuge ist der richtige Zeitpunkt gekommen, V2X auf den Markt zu bringen. Doch die Bausteine ​​von V2X-Programmen sind noch ungeformt und stark fragmentiert. In Gesprächen mit OEMs von Elektrofahrzeugen und Ladegeräten, Versorgungsunternehmen, ISOs, Regulierungsbehörden, Softwareanbietern und Flottenbetreibern identifizierte McKinsey vier Schlüsselfaktoren für eine weit verbreitete V2X-Einführung, die im Folgenden in der Reihenfolge ihrer Wichtigkeit aufgeführt sind.

Obwohl es ausgewählte Pilotprojekte für V2X gibt, beziehen sie sich hauptsächlich auf Schulbusse. Branchenvertreter waren sich einig, dass mehr Pilotprojekte mit einer größeren Vielfalt an geografischen Standorten, Anwendungsfällen und Fahrzeugtypen erforderlich sind, um das Geschäftsszenario und das Cashflow-Potenzial nachzuweisen. Ein wesentlicher Faktor hierfür wäre ein erhöhtes Interesse und eine stärkere Beteiligung von Versorgungsunternehmen im ganzen Land, wobei die Versorgungsunternehmen die Industrie engagieren und mit ihr zusammenarbeiten, um Pilotprojekte durchzuführen.

Derzeit sind nicht viele zertifizierte bidirektionale Ladegeräte verfügbar, obwohl weitere Akteure am Zertifizierungsprozess beteiligt sind. Diese mangelnde Verfügbarkeit könnte die Einführung von V2X behindern, da viele Flotten bereits elektrifiziert sind und Kaufentscheidungen für Ladegeräte treffen. Darüber hinaus sind bidirektionale Ladegeräte nach wie vor deutlich teurer als unidirektionale Gleichstromladegeräte ähnlicher Leistung. Um die Kosten zu senken und gleichzeitig die Verfügbarkeit von Ladegeräten zu erhöhen, müssen mehr V2X-Ladegeräte eingesetzt werden, um eine Skalierung zu erreichen. Der Staat könnte Unterstützung in Form von Anreizen speziell für V2X-Hardware leisten.

V2X erfordert die Kommunikation zwischen einer Reihe von Interessengruppen, darunter OEMs, Ladeunternehmen und Versorgungsunternehmen. Obwohl es mehrere Protokolle und Standards gibt, fehlt dem Ökosystem ein klarer, universeller Standard, um eine nahtlose und sichere Übertragung von Daten und Informationen zu gewährleisten. Um die V2X-Einführung zu beschleunigen und Vertrauen zwischen allen Beteiligten aufzubauen, sind universelle, standardisierte Kommunikationsstandards zwischen OEMs, Versorgungsunternehmen und Ladegeräten erforderlich.

ISOs und Versorgungsunternehmen in den Vereinigten Staaten haben sehr unterschiedliche Tarifstrukturen, was bedeutet, dass eine Elektrofahrzeugflotte, die versucht, zukünftige Cashflows vorherzusagen, mit großer Unsicherheit konfrontiert ist. Es gibt keine Garantie dafür, dass die Tarife oder Vergütungen für V2X auf dem aktuellen Niveau bleiben, was zu Unsicherheit über zukünftige Vergütungen für Flottenbetreiber führt. Um die Akzeptanz zu fördern, könnten Versorgungsunternehmen Vergütungsplangarantien für die Dauer des typischen Betriebs eines Gleichstromladegeräts anbieten.

V2X-Akteure müssen bei jedem Enabler zusammenarbeiten, um ihre Visionen, Zeitpläne und Kooperationspunkte aufeinander abzustimmen, um ein funktionierendes Ökosystem aufzubauen und Investitionen in die Technologie zu fördern.

V2G wird wahrscheinlich eine wichtige Rolle in der Zukunft von Elektrofahrzeugen in den Vereinigten Staaten spielen, da es eine neue Einnahmequelle für Flotten darstellt und eine Chance bietet, den Versorgungssektor zu stärken und seine Kapitalbelastung zu reduzieren. Angesichts der Komplexität und Vielfalt der Variablen im Zusammenhang mit der Implementierung von V2X in den Vereinigten Staaten kann man davon ausgehen, dass die V2X-Märkte eher lokalisiert als national sein werden.

Peter Frödeist Associate Partner im McKinsey-Büro in Los Angeles.Jesse Noffsingerist Partner im Büro in Seattle undShivika Sahdevist Partner im New Yorker Büro.

Die Autoren danken Jeff Hochhauser und Cross Pagano für ihre Beiträge zu diesem Artikel.