In Zukunft sollen Elektrofahrzeuge genauso schnell geladen werden können wie PKWs mit einem Verbrennungsmotor. Das erfordert aber viel Energie. Sind beispielsweise an einem Ort vier Ladestationen mit je 350 kW Leistung installiert – und werden diese gleichzeitig genutzt – werden 1,4 MW an Strom benötigt. Da diese Anschlussleistung nicht überall vorhanden ist, muss sie oftmals zu hohen Kosten nachgerüstet werden.
Ein Punkt, der bei der Kostenplanung nicht außer Acht gelassen werden sollte: Diese Leistung muss nur für rund 15 Minuten zur Verfügung stehen – und das auch nicht immer vollständig. Der Gleichzeitigkeitsfaktor der Auslastung liegt pro Ladestation in der Regel bei 80 %. Rechnet man das einmal zusammen: Eine Mittelspannungs-Schaltanlage kostet aktuell rund 300 000 Euro. Hinzu kommt die Ladestation mit zwei Ladepunkten plus Verteilerschrank für rund 200 000 Euro. Bei Wartungskosten von geschätzten 10 000 Euro pro Jahr und einer Amortisationszeit von fünf Jahren ist somit eine Gesamtsumme von mehr als einer halben Million Euro aufzubringen und durch die Säulennutzung zu finanzieren.
Aufgrund des aktuellen Strompreises sowie eines veranschlagten Gewinns von 9 Cent/kWh müssen also fünf Jahre lang pro Tag 35 bis 70 Ladevorgänge an der Säule durchgeführt werden, damit sich die Ladestation für das anschaffende Unternehmen amortisiert.
Anschlussleistung und –kosten preiswerter bereitstellen
Um den Aufbau von Ladeinfrastruktur bezahlbar zu machen, müssen die Bereitstellung der hohen Anschlussleistung und die damit verbundenen Kosten gesenkt werden. Zu diesem Zweck lassen sich Batterien als Energiespeicher einsetzen. Der Batteriespeicher dient primär der Wechselstromversorgung und beliefert auf der sekundären Seite die Ladestationen mit Gleichstrom. Er stellt folglich die für den Ladevorgang notwendige Energie zur Verfügung und wird mit einer geringen Primärleistung wieder bis zur vollen Kapazität aufgeladen.
Batteriespeicher plus Windkraft- oder Solaranlage senkt laufende Stromkosten
Der Vorteil des Batteriespeichers gegenüber einer herkömmlichen Schaltanlage ergibt sich aus den laufenden Stromkosten. Für die große Anschlussleistung der Schaltanlage muss ein höherer Grundtarif gezahlt werden, wobei der Preis pro kWh gering ist. Bei der niedrigeren Anschlussleistung des Batteriespeichers fällt der Grundtarif günstiger aus, die Kosten pro kWh sind allerdings hoch.
Trotzdem erweist sich die Speichervariante bei gleichen Investitionskosten als wirtschaftlicher im Betrieb, denn als Abtrag zur Finanzierung können hier höhere Beträge erzielt werden. Wird die Batterie mit einer vorhandenen Solar- oder Windkraftanlage gekoppelt, wirkt sich das noch kostengünstiger auf die laufenden Kosten aus.
Intelligente Steuerung des Ladevorgangs durch Aufteilung
Eine Ladeinfrastruktur mit hohen Energien lässt sich auf unterschiedliche Arten in das Energieversorgungssystem einbinden und verwalten. Jeder Ladepunkt kann so gesteuert werden, dass sich die verfügbare Energie gemäß der Anschlussleistung aufteilt. Sind die vier Ladepunkte des genannten Beispiels belegt, wird die Anschlussleistung durch den Gleichzeitigkeitsfaktor beispielsweise auf 1,12 MW begrenzt. Pro Ladepunkt können also 280 kW an Strom abgerufen werden. Falls nun zwei Ladepunkte durch konventionelle CCS2- (Combined Charging System Typ 2) Elektrofahrzeuge und die beiden anderen Ladepunkte durch schnellladende CCS2-HPC- (High Power Charging) Elektrofahrzeuge in Gebrauch sind, wird die Leistung ungleich abgegeben. Während die konventionellen Elektrofahrzeuge mit maximal 50 kW laden und 230 kW des dann vorhandenen Stroms nicht nutzen, fehlen bei den schnellladenden Fahrzeugen 70 kW pro Ladepunkt.
In dem Fall schafft eine skalierbare Leistungselektronik Abhilfe, die aus mehreren Modulen – zum Beispiel 15 Einheiten mit je 75 kW Leistung – besteht. Den beiden Ladepunkten mit den CCS2-Fahrzeugen wird dann je ein 75-kW-Modul zugeordnet, sodass die übrigen 13 Module für die schnellladenden Fahrzeuge eingesetzt werden können. Eine intelligente Matrix weist dem einen Ladepunkt sechs und dem anderen die verbliebenen sieben Module zu.
Kommunikation anforderungsgerecht umsetzen
Diese Art der Energiezuordnung erfordert intelligente Kommunikationselemente – wie sie etwa Phoenix Contact E-Mobility, eine Tochter des Verbindungstechnikanbieters Phoenix Contact, mit seiner DC-Ladesteuerung EVCC Professional bietet. Die Baugruppe wickelt den Ladevorgang über Powerline mit dem Elektrofahrzeug ab. Relevante Daten können via Bussystem – etwa CAN oder Modbus TCP – direkt mit der Matrix der Leistungselektronik ausgetauscht werden. Energiemessgeräte oder RFID-Kartenleser lassen sich per Modbus RTU/TCP ankoppeln. Die Integration von Solar- oder Windkraftanlagen erfolgt über die Schnittstellen der Ladesteuerung. Ein Human Machine Interface zeigt den aktuellen Zustand des Ladevorgangs vor Ort an.
Die Ladesteuerung unterstützt Batteriespeicher mit einer Kapazität von 100 bis 200 kWh. Die maximal abnehmbare Leistung beträgt zum Beispiel 320 kW, weshalb die CCS2-HPC-Fahrzeuge in rund 18 Minuten komplett aufgeladen sind. Tatsächlich nehmen sie meist nur 50 bis 80 % der Batteriekapazität auf, sodass bis zu drei Elektroautos bei einem Gleichzeitigkeitsfaktor betankt werden können. Mit einer variablen Einspeiseleistung von 20 bis 150 kW lässt sich die Batterie danach in akzeptabler Zeit bequem wieder aufladen.
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