2. Stand der Technik
2.3. Ladekonzepte
Im Vergleich zu anderen alternativen Fahrzeugkonzepten bringt die Elektromobilität den großen Vorteil eines bereits bestehenden Versorgungsnetzes mit sich, das grundsätzlich auch für das Laden eines Fahrzeugs geeignet ist. Dabei sind drei verschiedene Konzepte zu unterscheiden:
Kabelgebundenes Laden. Hierunter fällt das ein- oder mehrphasige Laden mit einer Leistung von 3 bis 44 kW. Es kann sowohl auf privaten und gewerblichen Stellplätzen als auch im öffentlichen Parkraum eingesetzt werden, wobei der Anschluss bei ersteren oft durch eine sogenannte Wallbox ermöglicht wird.
Im öffentlichen Raum hingegen werden zumeist Ladesäulen eingesetzt, die jedoch Herausforderungen hinsichtlich geeigneter, reservierbarer Stellplätze, Abrechnung und Vandalismusschutz mit sich bringen.
Gewerbliche Fahrzeuge, die auf betriebseigenem Gelände geladen werden können, sind hier im Vorteil.
Die Stecker sind hingegen bei allen Anschlussvarianten ähnlich, die Normung ist teilweise erfolgt. Sie verfügen neben den elektrischen Kontakten über eine Kommunikationsleitung für Abrechnungs- und Steuerungsdaten. Je nach Batteriegröße dauert eine Aufladung mit 3 kW für einen Kleinstwagen rund sechs Stunden.
20 Die Stromstärke hat direkten Einfluss auf den Kabelquerschnitt, der aus Kostengründen und zur Vermeidung von Übertragungsverlusten möglichst klein gehalten werden sollte.
21 Die Fahrzeuge sind dort im Taxibetrieb im Einsatz, siehe auch Abschnitt 5.2.2.
Auch eine Schnellladung über 44 kW ist kabelgebunden grundsätzlich möglich, jedoch noch mit einigen Einschränkungen verbunden. In Deutschland gibt es Schnellladestationen unterschiedlicher Anbieter. Die erste Gleichstrom-Ladesäule wurde an der bayerischen Autobahnabfahrt Irschenberg vom Energie-versorger E.on installiert. Mit 50 kW Ladeleistung soll die Aufladung z.B. eines Mitsubishi iMiev22 in 20 bis 30 Minuten abgeschlossen sein. In der Testphase kostet eine Aufladung pauschal 5 € (EON 2011).
Laden können dort jedoch nur die mit dem iMiev baugleichen Schwestermodelle Citroën C-ZERO und Peugeot iOn sowie der Nissan Leaf.
Hierin zeichnet sich eine ungünstige Tendenz spezifischer Schnellladetechnik ab, die zu unnötigen Doppelungen im Angebot zwingt, sofern der von E.on genutzte CHAdeMO-Standard23 nicht auch von anderen bedient werden kann. Beispielhaft dafür ist, obgleich hier die Einschränkung einer anderen Kundengruppe und Vermarktungsstrategie gemacht werden muss, der Ausbau des „Electric Highway“
von Tesla. An aktuell 19 Schnellladestationen24 an ausgewählten Orten wie Oberklassehotels oder Forschungsinstituten, aber auch auf privatem Gelände können (ausschließlich) Tesla-Kunden ihr Fahrzeug mit bis zu 70 A aufladen.
Die Möglichkeiten der Schnellladung werden jedoch durch den negativen Einfluss auf die Batterielebensdauer begrenzt: so sind einerseits nur Ladeströme bis maximal 150 A ohne größere Schädigungen möglich; andererseits muss die Ladestromstärke mit steigendem SOC gesenkt werden, so dass aktuell lediglich bis zu einem Füllgrad von 80 % mit hoher Leistung geladen werden kann (NPE 2010).
Induktives Laden. Eine Form der kontaktlosen Energieübertragung stellt das induktive Laden dar.
Aufgrund des Komforts dieser Ladevariante wird das induktive Laden immer wieder diskutiert. Neben einer unsichtbaren und vor Vandalismus geschützten Installation hat diese Ladevariante den Vorteil, dass die Fahrzeuge v.a. an festen Stellplätzen mit hoher Wahrscheinlichkeit häufiger geladen werden. Das kann sich einerseits vorteilhaft auf die Lebensdauer der Batterie auswirken, anderseits kann für Vehicle-to-Grid-Konzepte eine längere Ladezeit dienlich sein. Hierfür ist eine geeignete Einbindung in den Netzbetrieb noch zu prüfen (NPE 2010). Für die Anwendung bei Elektro-Fahrzeugen konnten dabei bislang nur prototypische Lösungen vorgestellt werden, wobei im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte25 eine grundsätzliche Machbarkeit mit Ladeleistungen von 3 kW und Ladewirkungs-graden bis 90 % bestätigt werden konnte. Werden die Wirkungsgrade des DC/DC-Wandlers (η ≈ 0,95) sowie die der Leistungselektronik und Blindleistungskompensation berücksichtigt, ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad von 75-80 % (SCHRAVEN et al. 2010).
Große Herausforderungen bestehen weiterhin in dem möglichst geringen Luftspalt zwischen Boden und
22 seit 2014 angeboten unter der Modellbezeichnung Mitsubishi Electric Vehicle
23 Handelsname einer in Japan entwickelten Schnittstelle zwischen Batteriemanagementsystem und Ladesäule;
abgleitet vom japanischen „O cha demo ikaga desuka“ (engl.: "Let's have a tea while charging"), siehe http://www.chademo.com
24 In Deutschland; europaweit stehen 66 Stationen zur Verfügung. Eine aktuelle Übersicht liefert http://www.teslamotors.com/de_AT/supercharger/, Stand der o.g. Lademöglichkeiten: 20.09.14
25 „Kontaktloses Laden von batterieelektrischen Fahrzeugen“ (INDION 2011), „Kabelloses Laden von Elektrofahrzeugen“ (CONDUCTIX 2011), „Berührungsloses Laden von Elektrofahrzeugen“ (W-CHARGE 2011)
21 2. Stand der Technik
Straße von 5 bis 15 cm und dem hohen Standardisierungsbedarf (BMU 2012). Im Rahmen eines Verbundprojektes des Fraunhofer-Instituts konnten bei einem Prototypen für die induktive Ladung von E-Fahrzeugen Ladeleistungen von bis zu 22 kW bei einem Abstand von 13 cm realisiert werden (FRAUNHOFER 2013).
Batteriewechselstationen. Das Wechseln der Fahrzeugbatterie bringt den großen Vorteil sehr kleiner
„Ladezeiten“ mit sich und wurde bereits in einem Demonstrationsprojekt in Japan umgesetzt. Dort waren in einer sechsmonatigen Testphase drei umgebaute Nissan Rouge crossover im Einsatz (BETTER PLACE 2010). Um alle Taxis der japanischen Hauptstadt mit Wechselakkus versorgen zu können, wären allerdings ca. 300 Stationen nötig. Darüber hinaus stellt dieses Konzept hohe Anforderungen an die Standardisierung der Batterie und der zugehörigen Halterung, wenn auch unterschiedliche Fahrzeugmarken und -typen bedient werden sollen. Gleichzeitig muss vor allem für Stoßzeiten eine große Zahl geladener Akkus vorgehalten werden. Ob der häufig angeführte Vorteil der Nutzung dieser Batterien zur Pufferung von Stromspitzen tatsächlich ein ökonomisches Geschäftsmodell unter Berücksichtigung der gegenzurechnenden Abnutzung darstellt, muss im Einzelfall geprüft werden. Eine Untersuchung des Fraunhofer Instituts kommt darüber hinaus zu dem Schluss, dass sich Wechselstationen unter der Annahme gleicher Auslastung einer herkömmlichen Tankstelle frühestens nach 67 Jahren amortisieren26. Dies liegt v.a. an der großen Anzahl der Batterien, die ständig verfügbar sein muss.
Die nachfolgende Abbildung 10: Kosten für unterschiedliche Ladekonzepte auf infrastruktureller Seite (FRAUNHOFER ISI o.J.) gibt einen Überblick über die zu erwartenden Kosten der verschiedenen Konzepte auf infrastruktureller Seite.
Abbildung 10: Kosten für unterschiedliche Ladekonzepte auf infrastruktureller Seite (FRAUNHOFER ISI o.J.)
Die unterschiedlichen Ladekonzepte schließen die Möglichkeit einer Nutzung der Fahrzeugbatterie als Speicherelement im Stromnetz ein, das nach Bedarf sowohl entladen als auch geladen werden kann. Vor allem motiviert durch den übergeordneten Wunsch nach der sinnvollen Integration von alternativen, aber fluktuierenden Energien wie Wind- oder Solarenergie wird diese Idee des vehicle-to-grid diskutiert.
26 Eine herkömmliche Tankstelle amortisiert sich ohne Berücksichtigung des Zusatzgeschäfts durch den meist zugehörigen Shop nach ca. 7 Jahren bei Investitionskosten von ca. 750.000 € (FRAUNHOFER ISI o.J.).
Verschiedene Projekte haben dabei die grundsätzliche Machbarkeit einer solchen Lösung zumindest theoretisch belegt, wobei es diverse Erfolgsfaktoren gibt, die z.T. nur begrenzt steuerbar sind: So setzt die Strategie eine möglichst häufige Verfügbarkeit der Fahrzeugbatterien voraus, was wiederum ein möglichst häufiges Anstecken des Ladekabels auch bei ausreichend vollem Akku erfordert. Bei gewerblichen Nutzern kann dies in den meisten Fällen mindestens nachts geschehen, wobei sich die Möglichkeit der Festlegung von Betriebsabläufen positiv auswirken kann. Stets muss jedoch berücksichtigt werden, dass der Einsatz der Batterie für Netzdienstleistungen bei hoher Lade-/Entladeaktivität die Lebensdauer reduziert und dadurch zu höheren spezifischen Kosten führt (NET-ELAN 2012).
Eine Untersuchung der zusätzlichen Netzbelastung durch das Aufladen der Fahrzeugbatterie im Rahmen des Projektes NET-ELAN ergab, dass sowohl das Laden der angestrebten eine Million E-Fahrzeuge in 202027 als auch die Erweiterung auf sechs Millionen Fahrzeuge in 2030 technisch ohne größere strukturelle Anpassungen im Übertragungsnetz möglich ist. Lediglich auf Verteilnetzebene kann es bei ungesteuertem Laden in Einzelfällen zu Grenzwertverletzungen der Leitungskapazitäten kommen (MISCHINGER 2012).
Auch eine vom BMWI in Auftrag gegebene Untersuchung zum Thema „Perspektiven von Elektro-/Hybridfahrzeugen in einem Versorgungssystem mit hohem Anteil dezentraler und erneuerbarer Energiequellen“ kommt zu dem Schluss, dass ein solcher Ansatz nur umgesetzt werden kann, wenn sich die Batterietechnologie in Hinblick auf die Lebensdauer unter Wirkung häufiger Be- und Entladevorgänge deutlich verbessert (BMWI 2012).