An der Elektromobilität führt kein Weg vorbei

Zu keinem Zeitpunkt war es so wichtig, die vorhandenen Energiesysteme auf eine nachhaltige und effiziente Nutzungsweise umzustellen wie aktuell. Denn wenn die CO₂-Emissionen weiter auf so hohem Niveau bleiben, werden die Häufigkeit, die Intensität und die Dauer verschiedenster Extremwetterereignisse signifikant weiter steigen.

Um den Klimawandel zu bekämpfen, ist es notwendig, an verschiedenen Stellschrauben zu drehen. In der Europäischen Union wurden durch den Verkehrssektor im Jahr 2020 insgesamt 681 Millionen Tonnen Kohlenstoffdioxid (CO₂) in die Atmosphäre freigesetzt.¹ Das macht rund 20 Prozent der EU-weiten CO₂-Emissionen aus.² Pkw und Motorräder hatten mit 61 Prozent den größten Anteil an den im Verkehr freigesetzten CO₂-Emissionen.^³

Aus den Zahlen der Eurostat geht hervor, dass an der gesamten im Straßenverkehr verbrauchten Energie Elektrizität lediglich einen Anteil von 0,12 Prozent hat.⁴ Um die Energiewende im Verkehrssektor voranzutreiben, ist ein Ausbau der Elektromobilität unabdingbar, damit die emittierten Schadstoffe auf ein Minimum reduziert werden können. So konnte man sich von fossilen Rohstoffen losen und den Klimawandel aktiv bekämpfen.

Doch warum liegt der Fokus der Verkehrswende auf rein elektrischen Fahrzeugen und nicht etwa auf Brennstoffzellen-Pkw? Dies ist der Herstellung und dem Transport der Energie sowie den Wirkungsgraden der Fahrzeuge selbst geschuldet.

Eine Grafik des BMUV⁵ (Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz) zeigt, wie effizient ein rein elektrisches Fahrzeug im Vergleich zu Brennstoffzellen-PKW und klassischen Benzinern betrieben werden kann. Interessant ist dabei, dass aufgrund des Transports und der Herstellung des Wasserstoffs der Brennstoffzellen-Pkw nur leicht besser als ein klassischer Verbrenner (Benzin) abschneidet.

Ein weiterer Vorteil der Elektrifizierung im Verkehrssektor ist die Möglichkeit, das Elektroauto als Zwischenspeicher zu nutzen, etwa für das eigene Heim oder das öffentliche Stromnetz. Somit übernimmt das Elektroauto in Zukunft zwei wichtige Aufgaben: einerseits den täglichen Transport zur Arbeit, in den Supermarkt oder zu Freunden und Familie und andererseits die Bereitstellung von Energie, die man im Optimalfall mit PV-Überschuss geladen hat.

In einem Bericht der Unternehmensberatung McKinsey wird geschätzt, dass ein Elektroauto-Anteil von 40 Prozent den Stromverbrauch um 40 TWh erhöhen wurde.⁶ Zum Vergleich: Im Jahr 2022 wurden in Deutschland rund 574 TWh Strom erzeugt.⁷

Wo stehen wir mit der Technik der Elektromobilität?

In welche Richtung es im Verkehrssektor gehen muss, ist klar. Aber wie sieht der aktuelle Stand der Technik aus und was bremst uns aktuell noch beim Ausbau der Elektromobilität?

Grundsätzlich unterscheidet man beim Laden von Elektroautos zwischen AC (Wechselstrom) und DC (Gleichstrom). Welche Unterschiede es zwischen den verschiedenen Stromarten gibt und welche Vor- und Nachteile sie jeweils haben, soll folgende Tabelle aufzeigen. AC-Laden kommt, wie in der Tabelle gezeigt, eher in Situationen zum Einsatz, in denen das Fahrzeug für mehrere Stunden stehen bleiben kann. Aufgrund der im Vergleich zum DC-Laden eher geringeren Ladeleistung sind mehrere Stunden notwendig, um das Elektroauto voll aufzuladen. DC-Laden kommt bei längeren Fahrten zum Einsatz, bei denen man sein Elektroauto in wenigen Minuten voll aufladen mochte. Solche Schnellladestationen kommen häufig im Gewerbebereich zum Einsatz.

Geladen wird der Strom über verschiedene Ladestecker. Der festgelegte europäische Standard ist EN 62196 Typ 2 (kurz: Typ-2-Stecker). Dieser Typ-2-Stecker ist auf das AC-Laden ausgelegt und ermöglicht Ladevorgange bis zu 63 A (ca. 44 kW). In der Praxis sind das Ladekabel und der Ladestecker aber auf 11 bzw. 22 kW ausgelegt, da die Elektroautos bzw. die verbauten Onboard- Charger nur Wechselstrome bis zu 32 A erlauben. Die europäische Variante des Schnellladens erfordert den CCS-Ladestecker (Combined Charging System). Der CCS-Ladestecker ermöglicht durch den erweiterten Aufbau eine Gleichstromladung (Plus- und Minuspol) und somit eine Ladeleistung bis zu 350 kW. Hinzuzufügen ist, dass bisher kein Fahrzeug eine Ladeleistung von 350 kW abrufen kann. Zum aktuellen Zeitpunkt ist es mit dem CCSLadestecker noch nicht möglich, Strome bidirektional weiterzugeben, da das benötigte Kommunikationsprotokoll (ISO 15118) noch nicht in der Lage ist, detaillierte Informationen zwischen dem Fahrzeug und der Ladeinfrastruktur auszutauschen.

Der einzige Ladestecker, der aktuell bidirektional laden kann, ist der asiatische CHAdeMO-Stecker (CHAdeMO ist ein Akronym von CHArge de MOve). Er unterstutzt die Datenkommunikation zwischen Ladeinfrastruktur und Elektroauto und ermöglicht somit, dass Befehle untereinander ausgetauscht werden. Aktuell ist es zum Beispiel – im europäischen Raum – nicht möglich, den Ladestand des Fahrzeugs über eine App auszulesen. Die ISO-Norm 15118 soll in Zukunft Abhilfe schaffen und den CCSStecker vervollständigen. So soll die Kommunikation zwischen Fahrzeugen, die für bidirektionales Laden freigegeben sind, und intelligenten Ladestationen gewährleistet werden.

Regularien für eMobility-Stecker

Der auf Vehicle-to-Home ausgelegte CHAdeMOStecker ist bereits seit einigen Jahren im japanischen Raum im Einsatz und somit das Vorbild für den in Europa genutzten CCS-Ladestecker. Sodass die europäische Steckervariante voll zum Einsatz kommt, müssen zunächst die Fahrzeuge, Ladestationen und Stromnetze neu konfiguriert werden, um die gegenseitige Kommunikation aller Gerätschaften zu gewährleisten.

Neben der Kommunikationsschnittstelle und einer geeigneten Ladestation benötigt man für bidirektionales Laden ein Elektroauto, das für die Entladung freigegeben wurde. Nach heutigem Stand sind hierzu lediglich die asiatischen Automobilhersteller bereit. Sie stellen dem europäischen Markt heute schon Fahrzeuge zur Verfügung, die für die Entladung freigegeben sind.

Benötigt wird eine Normung, die sich mit einer Vielzahl von Themen beschäftigt – von der Ladestation bis hin zur Fahrzeugtechnik. Um einige der notwendigen Normen zu nennen, folgt nun eine kurze Auflistung. Es sind noch eine Menge weitere Normen in Arbeit, die Auflistung hat daher keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

• DIN EN 62196-2 (AC-Steckvorrichtungen)⁸
• E DIN 62196-3/A1 (DC-Steckvorrichtungen)⁹
• E DIN 61851-23-2 (DC-Ladeeinrichtungen)¹⁰
• DIN EN IEC 61851-1 (Internationale Norm für konduktive Ladesysteme)¹¹

Neben den Normen gibt es für Ladestationen auch VDE-Anwendungsregeln, die für die Inbetriebnahme relevant sind. So sind für die unterschiedlichen Spannungsebenen die Anwendungsregeln

• VDE-AR-N 4100 (Niederspannung)¹²,
• VDE-AR-N 4110 (Mittelspannung)¹³und
• VDE-AR-N 4120 (Hochspannung)¹⁴

relevant. Sofern das Fahrzeug in Zukunft auch in das öffentliche Netz einspeisen soll, wird auch VDE-AR-N 410515 entscheidend sein.

Der Heimspeicher auf vier Rädern

Autarkie – dieses Wort hat in den letzten Jahren ordentlich an Relevanz hinzugewonnen. Auch wenn es für viele noch nach Wunschdenken klingt, dass man seinen Energiebedarf komplett selbst decken wird: Den eigenen Strom zu erzeugen ist für viele Menschen heute schon Realität geworden und soll in Zukunft noch weitere Menschen begeistern und finanziell entlasten.

Den Stromüberschuss, den die eigene Photovoltaik-Anlage erzeugt, gilt es künftig zu speichern. Eine Möglichkeit ist es, einen Batteriespeicher zu installieren, der den Haushalt nachts oder wahrend Lastspitzen mit Strom versorgen kann. Die andere Möglichkeit ist, das Elektroauto als fahrbaren Energiespeicher zu verwenden. Somit wäre es möglich, in Überschussstunden, in denen der Haushalt mehr Elektrizität erzeugt, als er verbraucht, die Energie im Fahrzeug zwischenzuspeichern. In Stunden, in denen energieintensive Aktivitäten ausgeführt werden, wie etwa abends die Waschmaschine laufen zu lassen, konnte das Fahrzeug dem Haushalt die benötigte Energie liefern. Das Konzept nennt sich Vehicle-to-Home und findet beispielsweise in Japan seit einigen Jahren Anwendung.

Eine weitere Möglichkeit, die Stromkosten gering zu halten, ist die Nutzung von variablen Stromtarifen. Dabei ändert sich der Strompreis wahrend eMobility des Tages- oder Monatsverlaufs. Durch eine gezielte Nutzung der variablen Stromtarife konnte man den Ladestrom kostengünstig einkaufen und den Haushalt bei hohen Strompreisen mit Strom versorgen. Ein weiterer Bonus ist, dass man E-Fahrzeuge als Blackout-Schutz verwenden konnte und somit auch wahrend Netzausfallen Energie im Haushalt zur Verfügung stünde.

Einen Vierpersonenhaushalt in einem Einfamilienhaus mit einem angenommenen durchschnittlichen Stromverbrauch von ca. 10 kWh pro Tag konnte ein Fahrzeug mit einer Speicherkapazität von rund 75 kWh über eine Woche lang mit einer einzigen Akkuladung versorgen. Dadurch, dass die Fahrzeuge nicht in das öffentliche Netz einspeisen, sondern lediglich den eigenen Haushalt mit Strom versorgen, fallen komplexe regulatorische Anforderungen weg

Regelleistung durch Elektrofahrzeuge

Vehicle-to-Grid stellt die Ausweitung des bidirektionalen Ladens auf das öffentliche Stromnetz dar. In diesem Szenario wird der Strom aus dem Fahrzeug wieder zurück in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Vehicle-to-Grid hat das Potenzial, Lastspitzen auszugleichen und Regelleistung für das öffentliche Stromnetz bereitzustellen.

Eine in Auftrag gegebene Studie des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur hat ergeben, dass Fahrzeuge im Schnitt etwa 45 Minuten pro Tag in Betrieb sind.¹⁶ Dem Fahrzeug steht also genügend Zeit zur Verfügung, entladen und wieder beladen zu werden.

In Deutschland sind – Stand 2021 – 430.000 stationäre Heimspeicher mit einer Gesamtkapazität von 4,5 GWh installiert.¹⁷ Im Vergleich dazu sind auf deutschen Straßen aktuell rund 1.586.000 Elektrofahrzeuge mit einer geschätzten Speicherkapazität von 69,9 GWh unterwegs.¹⁸ Die Entladung von ein paar wenigen kWh wäre für den Akku nicht schädlich und hatte in Form eines Schwarmspeichers, das heißt der kommunikativen Zusammenschaltung vieler Batterien, eine enorme Wirkung als Ausgleichsenergie.

Ein häufig auftretendes Argument in Diskussionen rund um das Thema bidirektionales Laden ist die verkürzte Lebensdauer des verbauten Akkus. Doch die Belastung für den Akku ist durch die wenigen entladenen Kilowattstunden so gering, dass bei vielen Autoherstellern die Garantie vermutlich gar nicht angepasst werden muss.

Mit Vehicle-to-Grid konnten Besitzer:innen darüber hinaus Geld verdienen. Der Netzbetreiber, eventuell auch der Stromanbieter konnte sie in Zukunft für das Bereitstellen des Akkus entlohnen. Für dieses Konzept laufen bereits seit einiger Zeit Pilotprojekte.

Was muss getan werden?

Die Elektromobilität kann und wird ein Schlüssel in der Verkehrs- und Energiewende sein. E-Autos werden uns nicht nur als Verkehrsmittel dienen, sondern besitzen zusätzlich das Potenzial, die Sektorenkopplung maßgeblich voranzubringen. Durch die Vernetzung mit großen Verbrauchern konnten Produktionsstatten, Lagerhallen und Gebäudekomplexe mit Energie aus Elektroautoflotten versorgt werden.

Bevor es aber dazu kommen kann, ist es nötig, die einzelnen Schritte und Kommunikationsschnittstellen genau zu definieren, sodass ein reibungsloser Austausch zwischen den Energielieferanten und -abnehmern erfolgen kann.

Aktuell fehlt es, wie oben erklärt, noch an einigen Voraussetzungen, die das bidirektionale Laden wirklich praxistauglich machen. Weitere Entwicklung ist nötig in folgenden Bereichen:

Elektroautos

Mit den gängigen E-Auto-Modellen haben Sie momentan noch nicht die Möglichkeit, Energie an Verbraucher abzugeben. Hier sind die Autohersteller in der Pflicht, nutzerfreundliche Lösungen zu entwickeln und voranzubringen. Erst wenn eine konsumentenfreundliche Losung angeboten wird, kann das bidirektionale Laden wirklich genutzt werden. Die Angst vor defekten bzw. schneller alternden Batterien ist momentan eine große Hemmschwelle, die die Bereitschaft einschränkt, das Elektroauto wirklich als Speicher anzubieten.

Darüber hinaus ist es notwendig, mittelfristig an der Reichweite und den Kosten von Elektroautos zu arbeiten, sodass sich mehr Menschen den Kauf leisten oder vorstellen können.

Ladeinfrastruktur

Der aktuelle Bestand an Ladepunkten mit intelligenten Ladestationen muss erweitert werden. Dazu sollte die Forderung von intelligenten Ladepunkten nicht auf den gewerblichen Bereich beschränkt bleiben, sondern auf den privaten und öffentlichen Sektor erweitert werden. Die neuen Ladestationen sollten nicht nur „smart“ sein, sondern auch technisch gesehen mehr können: zum einen bidirektionales Laden ermöglichen, zum anderen über ausgiebige Kommunikationsschnittstellen verfugen, die über einen mittel- bis langfristigen Zeitraum genutzt werden können. Durch den Ausbau von Ladepunkten wird auch die Bereitschaft steigen, sich mit dem Thema Elektromobilität zu beschäftigen. Und damit wachst auch das nötige Verständnis für den Ausbau der Elektromobilität.

Kommunikationsschnittstelle

Die Hersteller von Fahrzeugen und Ladestationen müssen für eine reibungslose und plattformübergreifende Kommunikation sorgen. Dies musste in enger Abstimmung mit den Netzbetreibern erfolgen, sodass entsprechende Gerate (Smart Meter Gateways, Steuerboxen) untereinander kommunizieren und sich gegenseitig steuern können. Es bleibt abzuwarten, in welchem Umfang und in welcher Qualität Daten letztendlich benötigt und bereitgestellt werden.

Eine Normreihe, der eine wichtige Rolle zukommt, ist die ISO 15118. Die Normreihe legt die Kommunikation zwischen Fahrzeugen und Ladestationen fest. Somit regelt sie beispielsweise Vehicle-to-Grid.

Bidirektionales Laden ist die nötige Weiterentwicklung, um die Elektrifizierung auf der Straße voranzutreiben. Die Energiewende funktioniert nicht ohne Verkehrswende! Hersteller von Automobilen und Ladestationen sollten freien Weg haben, um die Möglichkeiten dieser technisch bereits vorhandenen Innovation voll ausnutzen zu können und den Endverbrauchenden ein weiteres Tool an die Hand geben, um selbst für mehr grünen Strom zu sorgen.

Quellen:

¹ Statistics | Eurostat (europa.eu)
² EEA greenhouse gases – data viewer – European Environment Agency (europa.eu)
³ Europäischer Green Deal | EU-Kommission | Europäische Klimapolitik bis 2030 - Statistisches Bundesamt (destatis.de)
⁴ Statistics | Eurostat (europa.eu)
⁵ Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz
⁶ How electric vehicles could change the load curve | McKinsey
⁷ Stromerzeugung in Deutschland bis 2022 | Statista
⁸ E DIN EN IEC 62196-2 VDE 0623-5-2:2020-02 - Normen - VDE VERLAG (vde-verlag.de)
⁹ E DIN EN 62196-3/A1 (VDE 0623-5-3/A1):2018-06 (dke.de)
¹⁰ E DIN EN 61851-23 VDE 0122-2-3:2018-03 - Normen - VDE VERLAG (vde-verlag.de)
¹¹ DIN EN IEC 61851-1 VDE 0122-1:2019-12 - Normen - VDE VERLAG (vde-verlag.de)
¹² VDE-AR-N 4100 (VDE -AR-N 4100):2019-04 (dke.de)
¹³ VDE-AR-N 4110 (VDE -AR-N 4110):2018-11 (dke.de)
¹⁴ VDE-AR-N 4120 (VDE -AR-N 4120):2018-11 (dke.de)
¹⁵ VDE-AR-N 4105 (VDE -AR-N 4105):2018-11 (dke.de)
¹⁶ Mobilität in Deutschland 2017 - Ergebnisbericht (bund.de)
¹⁷ The development of battery storage systems in Germany – A market review (status 2022) (arxiv.org)
¹⁸ Mobility Charts - Deutschlands Elektromobilität im Überblick (mobility-charts.de)