V2G in Deutschland nicht möglich?
Elektroautos als Energiespeicher nutzen? Bidirektionales Laden wäre die Lösung, doch aus welchem Grund ist das aktuell noch nicht möglich? In diesem Video werde ich auf 6 Herausforderungen eingehen, die noch gemeistert werden müssen.
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In einer sich wandelnden Welt, in der die Nutzung erneuerbarer Energien an Bedeutung gewinnt, installieren immer mehr Menschen Solarpanels, um unabhängiger von herkömmlichen Stromversorgern zu werden.
Diese Entwicklung ermöglicht nicht nur die Erzeugung eigener Energie, sondern wirft auch Fragen auf, wie überschüssige Energie effizient genutzt werden kann.
Heimspeicher sind bereits eine bewährte Methode zur Speicherung und späteren Nutzung von überschüssigem Strom. Doch was ist mit der Möglichkeit, Elektroautos in diesen Prozess einzubeziehen?
Das Laden von Elektrofahrzeugen über Wallboxen ist inzwischen etabliert, jedoch gestaltet sich das Zurückspeisen von Energie ins Netz als komplexer.
Warum ist das Entladen, also das Abrufen der Energie, eine Herausforderung? Welche Hürden bestehen beim Rückeinspeisen des Stroms ins Hausnetz (V2H) oder ins öffentliche Stromnetz (V2G)? In diesem Artikel werden die Herausforderungen und das Potenzial des bidirektionalen Ladens von Elektrofahrzeugen beleuchtet.
Grund 1 - Fahrzeugelektronik
Aktuell verfügen die meisten Elektrofahrzeuge nicht über die bidirektionale Ladefähigkeit, obwohl sie mit leistungsstarken Akkus ausgestattet sind.
Die Begrenzung liegt in der primären Auslegung der elektrischen Komponenten für den Fahrbetrieb.
Der Fokus lag bei der Entwicklung nicht auf der kontinuierlichen Nutzung im 24/7-Betrieb.
Im Gegensatz dazu sind Heimspeicher für Dauereinsatz ausgelegt, da hier Gewicht und Größe weniger relevant sind.
Die Elektronik in Fahrzeugen muss zudem zahlreichen Anforderungen und Normen gerecht werden, darunter EMV, Temperaturanforderungen, Robustheit und Energieeffizienz.
Gefordert ist bei den PKWs ein Funktionieren in einem breiten Temperaturband zwischen -40° C und +50° C, robuste und rüttelfeste Bauteile zur Sicherstellung einer hohen Zuverlässigkeit unter harten Betriebsbedingungen, die Kompatibilität mit anderen Komponenten des Fahrzeugs, insbesondere mit dem Bordnetz und den Steuergeräten.
Die Kompatibilität mit anderen Komponenten des Fahrzeugs und die Einhaltung von Umwelt- und Sicherheitsstandards erhöhen die Komplexität zusätzlich. Die Bauteile in PKWs müssen möglichst klein und leicht sein, was bei einem Heimspeicher nur in einem geringen Maße relevant ist.
Die Hersteller haben sich im ersten Schritt bei der Entwicklung auf den Schwerpunkt des elektrischen Fahrens konzentriert. Das ist wichtig, da das auch der Usecase Nummer 1 ist, welcher kostengünstig und zuverlässig angeboten werden soll. Der Fokus lag bisher nicht auf den einen Einsatz des E Autos als Speicher im Dauerbetrieb. Dies bestätigt auch der Senior Vice President von Tesla, welcher sich über das bidirektionale Laden von Tesla-Fahrzeugen geäußert hat.
Grund 2 - Zyklenfestigkeit
Ein zentrales Element von Elektrofahrzeugen sind die Akkus, die den elektrischen Antrieb ermöglichen.
Die Zyklenfestigkeit der in den Fahrzeugen verbauten Lithium-Ionen-Akkus ist begrenzt und führt nach etwa 1.000 Zyklen zu Kapazitätsverlusten von 20-30%.
Heimspeicher hingegen erreichen in der Regel 5.000 bis 10.000 Ladezyklen, einige sogar bis zu 28.000 Zyklen. Heimspeicher sind für eine längere Lebensdauer ausgelegt, während Akkus in Fahrzeugen auf Energiedichte und Gewicht optimiert sind.
Forschungsbemühungen konzentrieren sich auf neue Materialien und Technologien, um die Zyklenfestigkeit von Fahrzeugakkus zu erhöhen.
Fortschritte in diesen Bereichen werden Elektrofahrzeuge zukünftig langlebiger und leistungsfähiger machen, was auch das bidirektionale Laden begünstigt.
Es ist wichtig zu bedenken, dass die Zyklenfestigkeit von Akkus von vielen Faktoren abhängt, wie zum Beispiel der Temperatur, der Art der Entladung und der Ladekurve.
Eine schonende Behandlung und regelmäßige Wartung können dazu beitragen, die Lebensdauer der Akkus zu verlängern.
Belastende Temperaturen, Schnellladen und der Betrieb der Batterie bei einem ungünstigen Ladestand unter 20% oder über 80% kommen beim Elektroauto öfter vor als bei Heimspeichern, was sich natürlich wieder auf die Lebensdauer und die Zyklenfestigkeit auswirkt.
Forschungsbemühungen konzentrieren sich auf neue Materialien und Technologien, um die Zyklenfestigkeit von Fahrzeugakkus zu erhöhen.
Fortschritte in diesen Bereichen werden Elektrofahrzeuge zukünftig langlebiger und leistungsfähiger machen, was auch das bidirektionale Laden begünstigt.
Grund 3 - Verwendung der Elektronik durch Drittanbieter
Die Entscheidung eines Fahrzeugherstellers, die bidirektionale Ladefunktion vollständig freizugeben oder nur in begrenztem Umfang zu aktivieren, hängt stark von technischer Machbarkeit und strategischer Ausrichtung ab.
Warum jedoch nicht einfach alle Möglichkeiten ausschöpfen, wenn die technische Grundlage dafür bereits existiert?
Die Antwort auf diese Frage ist alles andere als simpel. Der Grund liegt in der Tatsache, dass das bidirektionale Laden Elektrofahrzeuge für Anwendungsfälle einsetzt, die während der Fahrzeugentwicklung möglicherweise nicht im Fokus standen. Die zusätzliche Beanspruchung der Elektrik und insbesondere des Akkus kann sich negativ auf die Lebensdauer der Komponenten auswirken.
Die Herausforderung besteht darin, dass die Einflüsse, die durch das bidirektionale Laden entstehen, schwer vorherzusehen sind und vom angenommenen Nutzungsprofil der Fahrzeuge abweichen können. Im schlimmsten Fall könnte der Hersteller mit unerwarteten Gewährleistungskosten und Garantieansprüchen konfrontiert werden, was natürlich vermieden werden soll.
Eine Alternative besteht darin, das Be- und Entladen der Batterie intelligent und in Zusammenarbeit mit dem Hersteller des Ladegeräts abzustimmen. Durch eine solche Koordination könnte das bidirektionale Laden sogar positive Auswirkungen auf die Batterielebensdauer haben.
In diesem Szenario könnte das bidirektionale Laden so gesteuert werden, dass der Ladevorgang den Akku größtenteils im optimalen Ladezustandsbereich zwischen 20 und 80 Prozent hält. Dies ist besonders wichtig, um die Lebensdauer der Lithium-Akkus zu verlängern. Gleichzeitig müsste gewährleistet werden, dass der Akku zum geplanten Abfahrtszeitpunkt noch ausreichend geladen ist.
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Grund 4 - Software
Die Entwicklung von Software für Elektrofahrzeuge stellt Entwickler vor ein komplexes Unterfangen.
Im Vergleich zu anderen Branchen gestaltet sich dieser Prozess im Fahrzeugsektor oft als langsam, da er von strikten Regularien geprägt ist. Entwickler müssen sich an strenge Vorschriften und Normen halten, die von nationalen und internationalen Gremien wie der ISO 26262 für sicherheitsrelevante Funktionen festgelegt wurden.
Diese regulatorischen Auflagen können die Softwareentwicklung nicht nur verlangsamen, sondern auch verteuern.
Eine der größten Herausforderungen besteht darin, unterschiedliche Technologien, Protokolle und Plattformen miteinander zu integrieren und sicherzustellen, dass die Kommunikation zwischen ihnen reibungslos funktioniert.
Dies gilt besonders für die Softwareentwicklung an Schnittstellen zur Außenwelt. Ob es um die Kommunikation mit der Wallbox, einer App auf dem Handy oder einer Datenbank in der Cloud geht, der Fokus liegt vor allem auf der Gewährleistung von Sicherheit und Datenschutz.
Die Übertragung sensibler Informationen wie Fahrzeugdaten, Nutzerinformationen und Zahlungsdaten erfordert geeignete Sicherheitsmechanismen, um unautorisierte Nutzung oder Datenmanipulation zu verhindern. Insbesondere an den Schnittstellen zur Außenwelt sind diese Sicherheitsvorkehrungen von entscheidender Bedeutung.
Neben technischen Aspekten müssen die Hersteller auch rechtliche und regulatorische Anforderungen beachten, insbesondere im Bereich Datenschutz und Cybersicherheit.
Diese rechtlichen Vorgaben erfordern eine enge Zusammenarbeit mit Regulierungsbehörden und anderen Branchenpartnern, um sicherzustellen, dass die entwickelte Software den geltenden Vorschriften entspricht.
Die Einhaltung dieser Anforderungen ist unerlässlich, um das Vertrauen der Kunden in die Sicherheit und den Datenschutz ihrer Elektrofahrzeuge zu gewährleisten.
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Grund 5 - Ladegeräte
– Sicherheit und Zuverlässigkeit –
Eine der zentralen Herausforderungen beim bidirektionalen Laden von Elektrofahrzeugen liegt in der Gewährleistung von Sicherheit und Zuverlässigkeit für den Nutzer, das Elektrofahrzeug selbst und das Stromnetz.
Die Fähigkeit, Energie sowohl aufzunehmen als auch abzugeben, erfordert eine äußerst präzise Kontrolle der Energieflüsse und -mengen.
Beim bidirektionalen Laden müssen Spannung und Strom sorgfältig überwacht werden, um mögliche Risiken wie Überhitzungen der Batteriezellen zu vermeiden.
Dies ist besonders wichtig, um die Lebensdauer der Batterie zu schützen und die Sicherheit während des Ladevorgangs zu gewährleisten.
Um diesen hohen Ansprüchen gerecht zu werden, sind spezielle Sicherheitsvorkehrungen und komplexe Algorithmen erforderlich.
– Galvanische Trennung –
Ein weiterer wichtiger Sicherheitsaspekt beim bidirektionalen Laden ist die Notwendigkeit einer galvanischen Trennung.
Diese isolierende Schutzmaßnahme verhindert, dass unkontrolliert Strom zwischen dem Elektrofahrzeug, der Wallbox und dem Netz fließt.
Die galvanische Trennung minimiert potenzielle Gefahren und trägt dazu bei, die Sicherheit für den Nutzer zu gewährleisten.
– Kommunikation –
Darüber hinaus ist eine reibungslose Kommunikation zwischen verschiedenen Komponenten entscheidend.
Das Elektrofahrzeug, die Wallbox und das Stromnetz müssen nahtlos miteinander interagieren, um einen sicheren und effizienten Ladevorgang zu gewährleisten.
Diese Interaktion erfordert fortschrittliche Kommunikationsprotokolle und eine zuverlässige Datenübertragung.
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Grund 6 Stromnetze sind nicht intelligent
Die Kommunikation zwischen Elektrofahrzeug und Ladestation spielt eine entscheidende Rolle, insbesondere wenn es darum geht, das Laden sowie das bidirektionale Einspeisen von Energie netzdienlich zu gestalten.
Ein unkoordiniertes Speichern oder Einspeisen von Energie würde wenig Sinn ergeben.
Die Netzdienlichkeit zeigt sich vor allem dann, wenn überschüssiger Strom genau dann gespeichert wird, wenn im Netz eine Überspeisung vorliegt – also zusätzlicher Strom nicht benötigt wird.
Die einfache Speicherung und Rückgabe von Strom ohne Notwendigkeit oder Benefits ist wenig hilfreich und effizient.
Diese Thematik gewinnt weiter an Bedeutung, insbesondere mit der zunehmenden Attraktivität der Direktvermarktung von Strom auf dem dynamischen Strommarkt.
Hierbei ist es von besonderer Relevanz, den Stromverbrauch zeitlich zu steuern, um sowohl eine Entlastung des Stromnetzes als auch potenzielle Einnahmen durch Stromverkäufe zu ermöglichen.
Ein intelligenteres, netzdienliches Management der elektrischen Energieflüsse wird somit unerlässlich.
Es ist wichtig zu erkennen, dass eine unkoordinierte Speicherung von Strom nicht nur ineffizient ist, sondern auch die elektrischen Komponenten unnötig beansprucht, was sich negativ auf ihre Lebensdauer auswirken kann.
Die Bedeutung der Kommunikation und eines intelligenten Stromnetzes reicht über Speicherlösungen hinaus. Ein bewusster Umgang mit großen Stromverbrauchern, abgestimmt auf die Netzbelastung, wäre ein signifikanter Schritt hin zur Entlastung des Stromnetzes.
Hierbei könnte beispielsweise eine Situation eintreten, in der Ladestationen bei hoher Netzbelastung den Ladestrom auf ein Minimum reduzieren, sofern dies vom Fahrzeugbesitzer genehmigt wurde. Natürlich macht das wenig Sinn nicht an einem Supercharger an der Autobahn, aber evtl. an der Wallbox daheim, wenn die nächste Fahrt ohnehin erst am Folgetag geplant ist und nach der Abschaltung genug Zeit bleibt, um das E-Auto zu aufzuladen.
Diese Art der intelligenten Steuerung wäre besonders sinnvoll, wenn das Elektrofahrzeug über Nacht geladen wird und am nächsten Tag ohnehin erst wieder genutzt wird.
Es bleibt festzuhalten, dass die erforderlichen Kommunikationsmöglichkeiten, Schnittstellen und Protokolle bisher noch nicht ausgereift sind.
Die Entwicklung und Implementierung dieser Aspekte wird entscheidend dafür sein, dass die bidirektionale Ladung nicht nur technisch reibungslos funktioniert, sondern auch das Stromnetz entlastet und effizient unterstützt
Fazit / Zusammenfassung - Bidirektionales Laden
Die aktuelle Auslegung der Elektrik und der Akkus von Elektrofahrzeugen ist primär auf den Fahrbetrieb ausgerichtet und nicht auf einen kontinuierlichen Einsatz optimiert. Dies stellt eine grundlegende Hürde dar, wenn es um die Umsetzung des bidirektionalen Ladens geht.
Die Realisierung und Entwicklung des bidirektionalen Ladens gestaltet sich als äußerst anspruchsvoll. Dies liegt nicht nur an der Fahrzeugtechnik, den Akkus, den Ladegeräten und dem Stromnetz, sondern auch an den Herausforderungen, die in all diesen Bereichen auftreten.
Fortlaufende Weiterentwicklungen in sämtlichen genannten Bereichen versprechen jedoch eine langfristige Perspektive, in der Elektrofahrzeuge eine netzdienliche Rolle einnehmen können.
Die Implementierung von intelligenten Strategien zur Energieabnahme und -bereitstellung wird die Beziehung zwischen den Fahrzeugbesitzern und der Stromversorgung intensivieren. Es bleibt spannend, die Fortschritte und Innovationen in diesem Bereich zu verfolgen.
Glossar
Ein Konzept, bei dem Elektrofahrzeuge nicht nur Energie aufnehmen, sondern auch überschüssige Energie ins Stromnetz oder Gebäude zurückspeisen können.
Der Prozess, überschüssige Energie aus erneuerbaren Quellen direkt an den Strommarkt zu verkaufen.
Ein Markt, auf dem Strompreise in Echtzeit basierend auf Angebot und Nachfrage variieren.
Bauteile und Schaltkreise, die elektrische Signale verarbeiten und steuern.
Das Verhältnis von gespeicherter Energie zur Masse oder zum Volumen eines Speichersystems.
Die Fähigkeit elektronischer Systeme, ohne unerwünschte Effekte in ihrer elektromagnetischen Umgebung zu funktionieren.
Eine Methode, um elektrische Systeme voneinander zu isolieren und eine unerwünschte elektrische Verbindung zu verhindern.
Speichersysteme, die überschüssige Energie aus erneuerbaren Quellen speichern und später wieder abgeben können, oft in Haushalten eingesetzt.
Eine internationale Norm für funktionale Sicherheit in der Automobilindustrie.
Regeln und Standards für die Datenübertragung zwischen verschiedenen Geräten oder Systemen.
Ein Diagramm, das den Verlauf des Ladestroms oder der Ladespannung über die Zeit zeigt.
Die Auslastung des Stromnetzes aufgrund von Verbrauch und Erzeugung.
Die Fähigkeit eines Elektrofahrzeugs, Energie ins öffentliche Stromnetz zurückzuspeisen.
Die Fähigkeit eines Elektrofahrzeugs, Energie aus seiner Batterie ins Hausnetz zurückzuspeisen.
Energieverluste, die bei der Umwandlung von einer Form der Energie in eine andere auftreten, z. B. elektrische Energie in chemische Energie.
Die Fähigkeit eines Akkus, viele Lade- und Entladezyklen ohne signifikanten Kapazitätsverlust zu überstehen.
Credits:
Recherche und Artikelgestaltung: Denis von Elektronik-Zeit
