Bild: Starosta, KIT

Skalierbares Ladesystem für Elektrofahrzeuge

Mit der deutlich zunehmenden Zahl an Elektroautos steigt auch die Bedeutung von Ladeinfrastruktur und Konzepten zur Netzsicherheit. Werden Elektroautos vor allem nach Arbeitsbeginn oder Feierabend geladen, sorgen sie zu diesen Zeiten für Lastspitzen im Stromnetz. Vermeiden ließen sich diese, wenn die gesamte Standzeit zum Laden genutzt würde. Laut einer Studie im Auftrag des Bundesverkehrsministeriums liegt die mittlere Betriebszeit von Pkw bei nur 45 Minuten pro Tag. Im Projekt SKALE entwickelt das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit den Partnern Robert Bosch GmbH und Power Innovation Stromversorgungstechnik GmbH deshalb ein skalierbares Ladesystem mit Photovoltaikanlage, stationärem Lithium-Ionen Speicher und Mittelspannungs-Netzanschluss.

Das Projekt SKALE verbindet Elektromobilität und stationäre Batteriespeicher im Aufbau einer Gleichspannungs-Ladeinfrastruktur für den halb-öffentlichen bis privaten Raum. Durch intelligentes Lademanagement, den Einsatz von dezentralen erneuerbaren Energieerzeugern und stationären Batteriespeichern können Lastspitzen verhindert und ein Beitrag zur Stabilität des Stromnetzes geleistet werden. Das Forschungsprojekt betrachtet die gesamte Energieflusskette, um dabei Ladeleistung und Wirkungsgrad zu steigern und Kosten zu senken. Alle Anforderungen von der netzseitigen Bereitstellung der Energie über bedarfsgerechte Zwischenspeicherung, Verteilung und Wandlung bis hin zur Fahrzeugbatterie und Rückspeisung ins Netz finden dabei Berücksichtigung. „Der neue Ansatz soll eine zukunftsweisende Infrastrukturlösung für beliebige Parkflächen mit einer Vielzahl an Ladepunkten bieten und dezentrale Energiequellen effizient einbinden“, so Professor Marc Hiller vom Elektrotechnischen Institut (ETI) des KIT.

Örtliche Flexibilität und hohe Effizienz

Aktuell können Elektrofahrzeuge entweder über Wechselstrom (AC) oder Gleichstrom (DC) geladen werden. Beim Laden mit Wechselstrom reduziert die Wandlung in Gleichstrom im Fahrzeug die Ladeleistung und den Wirkungsgrad des Ladevorgangs. Beim Laden mit Gleichstrom ist die Ladeelektronik in den Ladesäulen verbaut. Dies ermöglicht eine Steigerung der Ladeleistung und des Wirkungsgrads, doch auf Seiten der Infrastruktur entstehen erhebliche Kosten. „Das Problem ist, dass sich beide Ladekonzepte entweder nur auf das Fahrzeug oder nur auf einen Teil der Infrastruktur konzentrieren, nicht aber die gesamte Energieflusskette betrachten“, erläutert Nina Munzke, Gruppenleiterin am ETI. Im Unterschied zu herkömmlichen Ladearten sollen die netzseitige Leistungselektronik teilweise zentralisiert, ein Pufferspeicher eingesetzt, Lastflüsse zentralisiert und die Energie in einem Gleichspannungsnetz verteilt werden. Dies soll zu Kosteneinsparungen, hoher Skalierbarkeit, Flexibilität des Anwendungsortes und einer hohen Effizienz führen.

Im Rahmen von SKALE soll ein Demonstrator der Ladeinfrastruktur aufgebaut werden. Der geplante Aufbau umfasst rund zehn Ladeplätze, eine Photovoltaikanlage mit einer Leistung von etwa 100 Kilowatt peak und einen Batteriespeicher mit einer Kapazität von ca. 50 Kilowattstunden. Mit Hilfe des Demonstrators sollen praktische Erfahrungen für Errichtung und Betrieb der Ladeinfrastruktur gewonnen werden. Die gewonnenen Messdaten fließen in die Energiesystemoptimierung und den Aufbau zukünftiger Anlagen ein.

Stabiler und sicherer Betrieb

Konzept des skalierbaren Ladesystems: Netzanschluss an das Mittelspannungsnetz, Anbindung von verschiedenen Ladeplätzen, einer Photovoltaikanlage und stationärem Lithium-Ionen-Speicher über ein DC-Netz. (Grafik: Starosta, KIT)

Konzept des skalierbaren Ladesystems: Netzanschluss an das Mittelspannungsnetz, Anbindung von verschiedenen Ladeplätzen, einer Photovoltaikanlage und stationärem Lithium-Ionen-Speicher über ein DC-Netz. (Grafik: Starosta, KIT)

Ladepunkte, Energiespeicher, dezentrale Energieerzeuger und Netzanschlusspunkte: Im Projekt SKALE befasst sich das ETI mit dem stabilen und sicheren Betrieb des DC-Netzes. Dazu geht es bei der Anbindung der Ladeinfrastruktur auch um die Entwicklung eines geeigneten Umrichterkonzepts für die Anbindung an das Mittelspannungsnetz, das einen hohen Wirkungsgrad hat und möglichst kompakt aufgebaut werden kann, gleichzeitig aber auch wirtschaftlich attraktiv ist. Anhand des Konzepts wird am ETI ein Labordemonstrator aufgebaut, der in Strom und Spannung skaliert ist, und Erkenntnisse über Betriebsführung und Einhaltung der Netzanforderungen liefern soll.

Auf Basis von Simulationen erstellen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT im Projekt eine Auslegungsempfehlung für das Gesamtsystem und entwickeln ein Auslegungstool, das die Ladeinfrastruktur inklusive ihrer Komponenten für einen spezifischen Standort auslegen und optimieren kann. Mit den Messdaten aus dem Demonstrator lässt sich so die Effizienz des Gesamtsystems bewerten, einschließlich der effizienten Nutzung erneuerbarer Energien.

Das Forschungsprojekt SKALE mit einem Projektvolumen von etwa 4,3 Millionen Euro wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert und ist zum Jahreswechsel gestartet.

Details zum Batterietechnikum: www.batterietechnikum.kit.edu