Integration von Elektromobilen in das Smart Grid - Intelligente Beladung von Elektrofahrzeugen
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Energieendnutzung • Integration von Elektromobilen FVEE • Themen 2012
Integration von Elektromobilen in das Smart Grid –
Intelligente Beladung von Elektrofahrzeugen
Fahrzeuge mit elektrischen Antrieben benötigen nur Entscheidend ist nun, diese Infrastruktur von Anfang
einen Bruchteil der Energie zur Fortbewegung wie an so zu konzipieren, dass eine Nutzung von allen
herkömmliche Diesel oder Benziner und lassen sich Fahrzeugnutzern problemlos und schnell möglich ist.
zudem sehr gut in ein Energiekonzept auf Basis er- Proprietäre Inseln, wie sie heute bereits vereinzelt
neuerbarer Energien einbinden. Batteriebetriebene existieren, sind zu vermeiden. Zudem sind Konzepte
und Plug-In-Hybridfahrzeuge, aber auch Brennstoff- nötig, die es erlauben, eine hohe Dichte an Ladesta-
zellenfahrzeuge, sind deshalb ideal, um auch den tionen möglichst preiswert zu erstellen. Das gilt nicht
mobilen Sektor auf erneuerbare Energien umzustel- nur für die eigentliche Ladeelektronik sondern auch
len. Allerdings bedarf es intelligenter Strategien, um für den Anschluss an das Stromnetz.
die Fahrzeuge optimal in das Stromnetz einzubinden.
Ladestationen sollten konzeptuell auch bereits für die
Ziel ist einerseits, die Belastung des Stromnetzes Fraunhofer ISE
zukünftig angedachten Funktionen geeignet sein.
durch das Laden der Fahrzeugbatterien zu begren- Dr. Günther Ebert
Heute steht sicher der einfache Beladevorgang im guenther.ebert@ise.fraunhofer.de
zen, andererseits aber die Möglichkeiten Elektrofahr-
Zentrum. In einigen Jahren, wenn Energieversorger
zeuge zum Ausgleich von Schwankungen der Ener- E.ON New Build &
variable Stromtarife anbieten, möchte der Fahrzeug-
gieversorgung und zur Netzstabilisierung zu nutzen. Technology
nutzer aber darauf reagieren können, um seine Ener- Dr. Petra Behrens
giekosten möglichst niedrig zu halten. Diese flexiblen Petra.Behrens@eon.com
Tarife sind ein besonders geeignetes Instrument, die
Anforderungen an eine leistungsfähige Fraunhofer IWES
Nutzer von Elektro- und Plug-In-Fahrzeugen in den
Ladeinfrastruktur Markus Landau
Ausgleich von Energieangebot und -nachfrage mit markus.landau@
Im Gegensatz zu Brennstoffzellenfahrzeugen, für einzubeziehen – eine Aufgabe, die mit steigendem iwes.fraunhofer.de
deren Betrieb erst eine Infrastruktur mit genügend Anteil von Wind- und Solarstrom im Netz immer DLR
Wasserstofftankstellen aufgebaut werden muss, kön- wichtiger wird. Dr. Thomas Pregger
thomas.pregger@dlr.de
nen batteriebetriebene Elektrofahrzeuge bereits
Um das Ausgleichspotenzial voll auszuschöpfen,
heute über das existierende Stromnetz mit Energie ZSW
sollte im nächsten Schritt auch die Rückspeisung von
versorgt werden. Diese bereits vorhandene Ladein- Dr. Michael Specht
Energie aus den Fahrzeugbatterien ins Stromnetz michael.specht@zsw-bw.de
frastruktur dürfte für die geringen Stückzahlen der
ermöglicht werden. Ein Fahrzeugnutzer könnte auf
nächsten Jahre ausreichend sein; für eine breite
diese Weise langfristig sogar Anbieter von Regelener-
Durchdringung mit Elektrofahrzeugen muss aber be-
gie werden. Die dafür nötigen technischen Voraus-
reits heute mit ihrem Ausbau begonnen werden. Eine
setzungen in den Ladestationen sollten bereits heute
verbesserte Infrastruktur sollte ausreichend viele,
mit bedacht werden.
leicht zugängliche Ladestationen im halböffentlichen
und öffentlichen Raum bereit stellen und auch zu- Intelligente Ladestationen sind auch erforderlich, um
sätzliche Funktionen wie Rückspeisen von Energie ins bei hoher Durchdringung mit Elektrofahrzeugen die
Stromnetz oder das Anbieten von Netzdienstleistun- Stromnetze nicht durch gleichzeitiges Laden von zu
gen erlauben. vielen Fahrzeugen an einem Netzabschnitt zu über-
lasten. Gemäß einer Untersuchung des Fraunhofer ISI
Neben der Optimierung der häuslichen Lademög-
für ein fiktives Szenario im Jahr 2030 würde das un-
lichkeiten durch entsprechende Ladecontroller, die
gesteuerte, sofortige Laden der Fahrzeuge nach der
jeder Nutzer selbst vornehmen kann, sind Ladestatio-
letzten Fahrt, zu einer deutlichen Überhöhung der
nen in ausreichender Zahl an den Plätzen zu instal-
Lastspitzen führen und damit sowohl das Verhältnis
lieren, an denen Fahrzeuge bevorzugt stehen. Das
von Energieangebot und -nachfrage stören als auch
sind beispielsweise Parkplätze von Arbeitgebern oder
die lokalen Verteilnetzabschnitte überlasten (rote Be-
Einkaufszentren, öffentliche Parkhäuser, Straßen mit
reiche in Abbildung 1). Vermeiden lässt sich dies mit
hoher Parkdichte etc. Zudem wird sicher auch die
einem sinnvollen Lastmanagement (blaue Bereiche in
Ergänzung von herkömmlichen Tankstellen mit elek-
Abbildung 1), das die Ladezeiten zeitlich sinnvoll ver-
trischen Ladestationen nötig sein. Letztere sind ins-
teilt. Da ein hartes Abschalten der Energieversorgung
besondere dann sinnvoll, wenn die Fortschritte in der
von den Verbrauchern sicher nur in Notsituationen
Batterietechnologie Ladezeiten im Bereich deutlich
akzeptiert werden würde, bietet sich hierfür eine
unter einer halben Stunde ermöglichen.
Steuerung über variable Stromtarife an, die vom
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FVEE • Themen 2012 Energieendnutzung • Integration von Elektromobilen
Abbildung 1
Gesteuertes versus
ungesteuertes Laden
(Quelle: Fraunhofer ISI,
Szenario 2030)
Energieversorger bzw. dem Verteilnetzbetreiber Für eine schnellere Ladung wurden zusätzlich 30 kW-
angeboten werden. Der Verbraucher wird dabei DC-Schnellladestationen entwickelt und aufgebaut.
durch finanzielle Anreize zu einem konformen Verhal- Die Erfassung der Energieflüsse erfolgte durch einen
ten angeregt. mobilen Metering- und Ladesteuerungscontroller
(mSM), der vollständig im CAN-Bordnetz des Fahr-
zeugs integriert wurde. Die AC-Wallbox, die über
Fahrzeug-Netzschnittstelle im eine ZigBee-Funkverbindung mit dem mSM im Fahr-
Flottenversuch Elektromobilität des BMU zeug kommunizierte, wurde für den Feldversuch so
konfiguriert, dass sie die Verbrauchsdaten über ein
Ein Prototyp eines solchen Systems, das o.g. Anfor-
GSM-Modul an einen externen Tarif- und Messdaten-
derungen erfüllt, wurde im Rahmen des vom Bun-
server schicken konnte.
desministerium für Umwelt, Naturschutz und Reak-
torsicherheit (BMU) geförderten Flottenversuchs Um den Feldversuch unter realistischen Bedingungen
Elektromobilität entwickelt. In einem Konsortium von durchzuführen, wurde ein Szenario zu Grunde ge-
verschiedenen Industriepartnern und Forschungsin- legt, wie es voraussichtlich um 2030 vorliegt. Auf der
stituten unter Leitung von Volkswagen wurde ein Basis der Leitstudie 2010 im Auftrag des BMU wurde
Plug-In-Hybridfahrzeug sowie eine geeignete Infra- angenommen, dass zu dieser Zeit 12 Millionen Elek-
strukturplattform zur Anbindung an das Stromnetz trofahrzeuge auf Deutschlands Straßen fahren und
entwickelt. Daran angeschlossen wurde ein Feldver- der Batteriepreis etwa 250 €/kWh beträgt. Durch die
such mit 20 Fahrzeugen um praktische Erfahrung mit für dieses Szenario entwickelten variablen Tarife sowie
dem System zu sammeln. den vom Nutzer eingestellten Vorgaben wurde im
mSM die preisoptimale Ladestrategie errechnet und
Das Fraunhofer ISE hat im Unterauftrag von E.ON die
überwacht. Eine Rückspeisung bzw. die Bereitstellung
Fahrzeug-Netzschnittstelle konzipiert sowie die dafür
von Netzdienstleistungen erfolgte nur, wenn es für
erforderlichen Komponenten entwickelt. Das System
den Fahrzeugnutzer auch einen finanziellen Vorteil
erlaubt sowohl ein kostenoptimiertes Laden der Fahr-
ergab. Hierbei wurde die zusätzliche Batterienutzung
zeuge sowie auch das Rückspeisen von Energie aus
mit einberechnet. Der Tarif wurde einen Tag im Vor-
der Fahrzeugbatterie ins Netz. Die Steuerung erfolgt
aus übermittelt (day-ahead) mit der Option der kurz-
mittels eines variablen day-ahead-Tarifs für Strombe-
fristigen Korrektur bei veränderter Netzsituation, die
zug und -rückspeisung, der die Erzeugungs- und Last-
allerdings nie zum Nachteil des Fahrzeugnutzers aus-
situation im Stromnetz widerspiegelt. Die Arbeiten
fallen durfte. Abbildung 2a zeigt ein typisches Ergeb-
umfassten auch die Fahrzeugidentifikation an der
nis über einen Tag. Deutlich erkennbar ist, dass sich
Ladestation, die Ladetechnik, das Messen (Metering),
Lade- und Rückspeiseabschnitte abwechseln. Die
der mit dem Netz ausgetauschten Energie, die tarif-
gestrichelten und gepunkteten Linien entsprechen
basierte Ladesteuerung sowie die Kommunikation
optionalen, aktuellen Lade- bzw. Rückspeiseangebo-
zwischen Fahrzeug, Energieversorger und Fahrzeug-
ten, die der Netzstützung dienen.
nutzer.
Das ungesteuerte Laden ist zum Vergleich in Abbil-
Hardwareseitig wurde eine bidirektional arbeitende
dung 2b dargestellt.
intelligente AC-Wallbox mit einer maximalen Leis-
tung von 3,7 kW entwickelt.
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Energieendnutzung • Integration von Elektromobilen FVEE • Themen 2012
Abbildung 2a
Tagesprofil bei tarif-
gesteuertem Laden und
Rückspeisen ins Netz
Abbildung 2b
Tagesprofil bei
ungesteuertem Laden
Abbildung 3
Kostenvergleich:
ungesteuertes Laden gesteuertes Laden ungesteuertes Laden
versus gesteuertes
Laden
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Für den Fahrzeugnutzer besonders interessant ist der den. Mit einer Leistungsdichte von 2,7 kW/l kann das
Kostenvergleich zwischen ungesteuertem und tarif- Gerät deshalb auch als On-Board-Lader eingesetzt
gesteuertem Laden (Abbildung 3). Die dunkle Linie, werden. In diesem Falle kann die Baugruppe auch in
die der gesteuerten Ladung entspricht, endet bei die Wasserkühlung des Fahrzeugs integriert werden.
deutlich niedrigeren Gesamtkosten als bei ungesteu- Die Schnellladeeinheit arbeitet dabei bidirektional
erter Ladung. Die Auswertung aller Feldversuchs- und erlaubt damit auch das Rückspeisen in das
daten ergab, dass der Kostenvorteil für den Fahrzeug- Stromnetz. Die Schaltung ist zweistufig aufgebaut,
nutzer je nach Situation zwischen 10 und 20 % lag. um einen gute Anpassung an die Batteriespannung
In der Praxis sollte sich damit eine effektive Steuer- zu erreichen und beinhaltet einen 3-Level-AC/DC-
wirkung ergeben. Wandler, der besonders geringe EMV-Emissionen auf-
weist, so dass trotz hoher Leistung keine aufwändi-
gen Schirmmaßnahmen nötig wurden.
Zukunftsweisendes Schnellladegerät
Auch im Rahmen des durch das BMBF geförderten
Power-to-Gas-Konzept
Projekts „Fraunhofer Systemforschung Elektromobili-
tät“ wurde die Integration von Elektrofahrzeugen in Neben den batteriegestützten Elektrofahrzeugen, die
das Stromnetz untersucht und eine prototyphafte direkt aus dem Stromnetz versorgt werden und sich
Entwicklung einer „Fahrzeug-Netzschnittstelle“ besonders gut für Fahrten mit Reichweiten bis etwa
durchgeführt (Abbildung 4). 100 km eignen, dürften in den nächsten Jahren auch
Brennstoffzellenfahrzeuge in signifikanten Stückzah-
Der sogenannte E-Car-Communication-Manager bil-
len auf den Markt kommen. Diese weisen maximale
det die zentrale Einheit zur Steuerung aller Prozesse
Reichweiten von 400 km und mehr auf und sind somit
und Abläufe an der Fahrzeug-Netz-Schnittstelle.
in der Lage, das Langstreckensegment abzudecken.
Neben einer „normalen“ AC-Ladung gibt es auch
hier die Möglichkeit einer Schnellladung über eine Versorgt werden diese Fahrzeuge mit Wasserstoff, der
DC-Strecke. Für letztere wurde am Fraunhofer ISE an speziellen Tankstellen zur Verfügung steht. Den-
eine spezielle Schnellladeeinheit entwickelt um den noch können diese Fahrzeuge, wenn auch nur indi-
zukünftig zu erwartenden steigenden Anforderungen rekt, zur Stabilität unseres Stromnetzes beitragen. Zu
an die Ladezeiten gerecht zu werden (Abbildung 5). Grunde liegt ein Versorgungskonzept, das insbeson-
Ziel war es, dem derzeitig technisch Machbaren dere die saisonalen Ungleichheiten zwischen Strom-
möglichst nahe zu kommen. Das Schnelladegerät mit erzeugung und -verbrauch bei hohen Anteilen an
einer Leistung von 22 kW wurde primär für den Ein- Wind- und Solarenergie ausgleichen soll und derzeit
bau in eine stationäre Ladesäule konzipiert. Durch die am ZSW erprobt wird. Mit überschüssigem Strom aus
Wahl eines transformatorlosen Designs, welches erst- Wind- und Solarkraftwerken soll in riesigen Elektro-
malig im automobilen Bereich eingesetzt wurde, und lyseuren Wasserstoff erzeugt werden, der entweder
den Einsatz von Siliziumkarbid-Transistoren, die eine direkt zum Betrieb von Brennstoffzellenfahrzeugen
hohe Taktfrequenz von 80 kHz und damit den Einsatz verwendet werden kann oder auch in einem Folge-
von Induktivitäten mit kleiner Bauform erlauben, prozess in Methan umgewandelt werden kann
konnte das Gerät extrem kompakt ausgeführt wer- (Abbildung 6).
Abbildung 4
Systemlösung:
Fahrzeug-
Netzschnittstelle
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Abbildung 5
Schnellladegerät
(Fraunhofer ISE)
Abbildung 6
Power-to-Gas-Konzept
mit Tankstellen für
Strom, H2 und CH4
als „Speicher“ und
Regelenergieanbieter
Abbildung 7
E-Mobilität via H2 aus
EE-Strom:
Links: H2-Tankstelle
(Fraunhofer ISE)
Rechts: 25 kW Power-
to-Gas-Anlage
(ZSW/SolarFuel)
Dieses synthetische Methan hat den entscheidenden Mangelzeiten wird das Gas wieder verstromt. Ge-
Vorteil, dass es direkt in das vorhandene Gasnetz ein- schieht das in Blockheizkraftwerken bei gleichzeitiger
geleitet werden kann (Power-to-Gas-Konzept) und Nutzung der Wärme sind auch die Verluste, die durch
deshalb keine zusätzliche Infrastruktur zum Transport die zusätzliche Umwandlung von Wasserstoff in
zu den Verbrauchern nötig ist. Insbesondere steht Methan entstehen, akzeptabel.
damit mehr Gas für die Versorgung von Erdgasfahr-
zeugen oder auch für die Möglichkeit der Wiederver- Abbildung 7 zeigt links eine der ersten photovoltaisch
stromung in Blockheizkraftwerken zur Verfügung. Da versorgten Wasserstofftankstellen, die seit 2012 am
das heutige Gasnetz eine im Vergleich zum Strom- Fraunhofer ISE in Betrieb ist. Ein Konsortium aus
netz gigantische Speicherkapazität besitzt und diese Automobilherstellern und Versorgungsindustrie hat
notfalls noch erweitert werden kann, ist dieses Kon- angekündigt, in den nächsten Jahren in Deutschland
zept sehr gut geeignet um saisonale Schwankungen ein ausreichend dichtes Netz an Wasserstofftankstel-
in der Energiebilanz auszugleichen: In Überschuss- len aufzubauen.
zeiten wird Wasserstoff bzw. Methan erzeugt, in
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Abbildung 8
Systemdienstleistungen
durch Elektromobilität
Die rechte Hälfte der Abbildung zeigt eine 25 KW- an der Standardisierung der Zugangsschemata und
Power-to-Gas-Versuchsanlage, die das ZSW ent - der Kommunikationsprotokolle gearbeitet werden.
wickelt hat. Seit kurzem ist – ebenfalls am ZSW – die
Netzdienstleistungen, die durch Elektrofahrzeuge
weltweit größte Anlage zur Ökostromspeicherung
erbracht werden, sind eher ein mittelfristiges Thema
mit einer Kapazität von 250 kW im Betrieb.
und setzen eine gewisse Mindestanzahl von Fahrzeu-
gen voraus. Dennoch muss dieser Aspekt bereits
beim Aufbau einer Infrastrukturplattform berücksich-
Ausblick tigt werden. Abbildung 8 gibt einen Überblick über
die möglichen Arten von Netzdienstleistungen. Die
Was eine leistungsfähige, nutzergerechte Lade-/Ent-
allermeisten heutigen Ladesysteme sind lediglich in
lade-Infrastruktur für Elektrofahrzeuge leisten muss
der Lage, Ladevorgänge zeitlich zu verschieben
und wie eine technische Realisierung aussehen
(Demand Side Management), sofern sie denn einen
könnte, wurde in verschiedenen Projekten von unter-
Kommunikationsanschluss besitzen. Weitere wün-
schiedlichen Projektpartnern bereits gezeigt. In der
schenswerte Netzdienstleistungen wie Wirkleistungs-
Realität existiert davon erst wenig. Die derzeit im
und Blindleistungsregelung oder Power-Quality-Funk-
halböffentlichen bzw. öffentlichen Raum existieren-
tionen, wie sie bei hohen Anteilen erneuerbarer Ener-
den Lademöglichkeiten sind meist proprietäre Lösun-
gien an der Stromerzeugung nötig werden, um die
gen mit speziellen Zugangsmöglichkeiten. Funktio-
Netzqualität zu verbessern, setzen intelligente Lade-
nen über das reine Laden hinaus werden i. d. R. nicht
stationen mit bidirektionaler Wirkungsweise voraus.
angeboten. Das liegt an der derzeit noch geringen
Anzahl von Elektrofahrzeugen, den noch recht hohen Interessante Ansätze, um den Komfort beim Strom-
Kosten und den noch fehlenden Geschäftsmodellen tanken und damit die Akzeptanz beim Fahrzeug-
für solche Systeme. Um den Ausbau der Ladeinfra- nutzer zu erhöhen, bieten kabellose Ladeverfahren.
struktur zügig voran zu bringen, muss deshalb inten- Damit würden die besonders beim Schnellladen
siv an der Entwicklung kostengünstiger Lösungen dicken und störrischen Ladekabel und das Stecken
gearbeitet werden. Insbesondere sind Schnelladesta- von schwergängigen Steckern entfallen. Technisch
tionen noch besonders teuer, bieten aber auch – wie wird diese induktive Übertragung von Energie in
im obigen Beispiel aufgezeigt – viel Kostensenkungs- einigen Segmenten der Industrie heute schon ange-
potenzial. Auch die reinen Anschlusskosten für Lade- wandt. Die Herausforderung liegt deshalb eher bei
säulen sind relativ hoch, so dass hier ebenfalls neue der Berücksichtigung der speziellen Aspekte im Fahr-
Konzepte nötig sind. Dringenden Beschleunigungs- zeug und insbesondere bei der Realisierung kosten-
bedarf gibt es auch bei der noch mangelnden Stan- günstiger Systeme. Derzeit wird in den Fraunhofer
dardisierung. Nach den langwierigen Verhandlungen Instituten ISE und IWES zusammen mit Industrie-
zur Stecker-Standardisierung muss jetzt insbesondere unternehmen an solchen Lösungen gearbeitet.
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