Klimaneutraler Ladepark Kamener Kreuz: Analyse bis 2045

Energie & Ressourcen in der Fahrzeugentwicklung

Analyse eines klimaneutralen Ladeparks am Kamener Kreuz (2025-2045)

Bachelor Fahrzeugentwicklung | FH Dortmund | Winter 2025/2026

Agenda

1. Fragestellung und Zielsetzung<br>2. Standortanalyse: Kamener Kreuz<br>3. Technologische Grundlagen (PV, Wind, Batterie)<br>4. Datengrundlage & Szenarien<br>5. Simulation & Programmablauf<br>6. Auswertung & Ergebnisse<br>7. Anlagendimensionierung & Infrastruktur<br>8. Fazit & Validierung

Die zentrale Fragestellung

Wie muss ein Ladepark für Elektrofahrzeuge am Kamener Kreuz technisch konstruiert sein, um durch Photovoltaik, Windkraft und Batteriespeicher bis 2045 ein wirtschaftliches und klimaneutrales Laden zu ermöglichen?

Berücksichtigte Faktoren: Verkehrsaufkommen • CO2-Emissionen • Wirtschaftlichkeit

Standortanalyse: Kamener Kreuz

Strategischer Schnittpunkt: Autobahnen A1 & A2 (Wichtige Pendlerstrecke)

Hohe Flächenverfügbarkeit: Potenzial für Freiflächen-PV und Windkraft

Ausbaupotenzial: Ca. 3,5 km² nutzbare Fläche identifiziert

Systemgrenzen & Übersicht

Das System koppelt regenerative Erzeuger (PV, Wind) mit Speicher und Netz, um die variable Last durch Elektrofahrzeuge zu decken.

Technologie: Photovoltaik (Funktionsweise)

• Photovoltaischer Effekt: Sonnenlicht regt Elektronen in der Siliziumschicht an.<br>• Aufbau: Sandwich-Struktur aus n-dotierter und p-dotierter Schicht.<br>• Umwandlung: Erzeugter Gleichstrom wird mittels Wechselrichter in netzkonformen Wechselstrom gewandelt.

Photovoltaik: Effizienz & Fakten

17-23%

Gesamtwirkungsgrad

25-30 Jahre

Lebensdauer

Vorteile:<br>• Emissionsfrei im Betrieb<br>• Geringe Wartungskosten<br><br>Herausforderungen:<br>• Abhängig von Wetter/Tageszeit<br>• Verluste durch Wärme & Reflektion

Technologie: Windkraft (Aufbau)

Hauptkomponenten der Gondel:<br>• Rotorblätter & Nabe: Nehmen Windenergie auf<br>• Getriebe: Setzt Drehzahl für Generator um<br>• Generator: Erzeugt elektrischen Strom<br>• Pitch-Regelung: Anpassung der Blattwinkel

Windkraft: Leistung & Regelung

• Gesamtwirkungsgrad: 45-50% (Limitiert durch Betzsches Gesetz)<br>• Schutzmechanismen: Pitch-Regelung dreht Blätter bei Sturm aus dem Wind.<br>• Vorteile: Hoher Ertrag auf kleiner Grundfläche, Nachtstromerzeugung möglich.

Technologie: Batteriespeicher (Li-Ion)

Grundprinzip: Ionenwanderung zwischen Kathode und Anode.<br>Laden: Ionen wandern zur Anode.<br>Entladen: Ionen fließen zur Kathode zurück, Strom wird frei.

Batterie-Management & Lebensdauer

BMS (Battery Management System)

Überwacht Spannung, Temperatur und Zell-Balancierung. Schützt vor Tiefenentladung und Überhitzung.

Lebensdauer & Effizienz

• Wirkungsgrad: 90-95%<br>• Zyklenfestigkeit: 10-15 Jahre im stationären Einsatz<br>• Anwendung: Pufferung von PV- und Windspitzen

Datenbasis: Verkehrsaufkommen

• Gesamtverkehr: 160.000 Fahrzeuge/Tag<br>• Peakzeiten: 10-11 Uhr & 18-19 Uhr<br>• Ladedauer DC: 15-60 min (80%)<br>• Aktueller EV-Anteil: ca. 6%

Szenarien: E-Auto Wachstum bis 2045

Prognose: Linearer Anstieg der E-Mobilität bei stagnierendem Gesamtverkehr.<br>Ziel 2045: Klimaneutraler Betrieb bei 40-50% EV-Anteil.

Methodik: Programmablauf

Die Simulation importiert Jahresdaten (PV/Wind-Erträge), erstellt ein Ladeprofil und optimiert das System hinsichtlich Kosten (CAPEX/OPEX) und CO2-Limits.

Energiefluss & Verluste (Sankey)

Das System berücksichtigt Umwandlungsverluste auf jeder Ebene. Die größten Verluste entstehen bei der Speicherung und im Ladevorgang selbst.

Ergebnisse: Energiekosten

Windkraft ist die günstigste Energiequelle im System.<br>Netzbezug ist aufgrund steigender CO2-Preise der Kostentreiber.

Ergebnisse: Emissions-Intensität

Die energetische Amortisation erfolgt bei Windkraft bereits nach 5-8 Monaten. Der Netzstrom ist der größte Emissionsfaktor.

Pfad zur Klimaneutralität

Durch den sukzessiven Ausbau der Erneuerbaren und Speicher kann der Fußabdruck bis 2045 auf rechnerisch 0 gesenkt werden (Autarkie).

Dimensionierung 2045: Erzeugung & Speicher

<b>PV (100 MW)</b><br>ca. 182.000 Module<br>Fläche: 1,5 km²<br>Invest: ~75 Mio. €

<b>Wind (250 MW)</b><br>35 Anlagen (Vestas V172)<br>Fläche: 1,57 km²<br>Invest: ~430 Mio. €

<b>Speicher (500 MWh)</b><br>128x Tesla Megapack<br>Fläche: 1 km²<br>Invest: ~150 Mio. €

Infrastruktur: Ladehardware

<b>Schnelllader (DC)</b><br>Alpitronic Hypercharger 150<br>150 Stk. für 7200 Ladungen/Tag<br>Kosten: ca. 1 Mio €

<b>Langzeitlader (AC)</b><br>ABB Terra Wallbox (22kW)<br>30 Stk. für 1800 Ladungen/Tag<br>Kosten: ca. 0,7 Mio €

Fazit & Ausblick

• Machbarkeit: Klimaneutralität ist technisch möglich (Autarkie).<br>• Investition: Hoher Kapitalbedarf (ca. 650-700 Mio. €).<br>• Fläche: Theoretisch verfügbar, aber großer Landverbrauch (160h für Gesamtsystem Wind/PV Abstände).<br>• Risiko: Emissionsentwicklung des Stromnetzes bleibt unsicherer Faktor.

Verwendete Tools

Simulation & Datenverarbeitung:

• Python (Programmiersprache)<br>• PyPSA (Netzsimulation)<br>• Pandas (Datenanalyse)<br>• Renewables.ninja (Wetterdaten & Ertragsprofile)

Quellen & Validierung

<b>Datenquellen:</b><br>• Geoportal NRW (Flächen)<br>• Renewables.ninja (Simulationsdaten)<br>• Fraunhofer ISE (PV-Preisentwicklung)<br>• Vestas / Tesla (Technische Datenblätter)<br><br><b>Lizenzen:</b><br>• Nutzung der Softwaretools gemäß akademischer Lizenz.