Die „E-Mobility-Allee“ – Laden in vorstädtischem Gebiet
Die Belchenstraße in Ostfildern bei Stuttgart ist gesäumt von Einfamilienhäusern. Die ideale Umgebung für das bundesweit erste NETZlabor. Zehn Haushalte nahmen an diesem Versuch teil, für die je ein E-Fahrzeug und Ladeinfrastruktur während der Projektdauer bereitstand. Ein Los entschied, ob die Teilnehmenden mit einem E-Modell von VW, BMW oder Renault fahren konnten. Das elfte Fahrzeug, das Modell S von Tesla, war für jeden Haushalt drei Wochen verfügbar.
Die Netze BW wollte wissen:
- Wie werden die E-Pionier*innen - mit sehr unterschiedlichem Fahrverhalten - ihre E-Autos laden?
- Welche Auswirkungen zeigen sich im Stromnetz bei einem Anteil von 50 Prozent E-Fahrzeugen?
- Welche technischen Lösungsansätze werden benötigt, um das Netz zu optimieren?
Die E-Mobility-Allee in Ostfildern bildet ein typisches Wohngebiet mit Eigenheimen in Ballungszentren ab. Gerade die Einzugsgebiete von Großstädten mit viel privatem Parkraum nehmen in den ersten Jahren eine Vorreiterrolle beim Hochlauf der Elektromobilität ein.
Der dezentrale Batteriespeicher wird zusammen mit der Ladestation direkt in die Elektroinstallation eines Kunden integriert. Auf Basis einer lokalen Strommessung lassen sich Lastspitzen, die durch Ladevorgänge am Hausanschluss verursacht werden, kompensieren.
Strangregler sorgen dafür, dass die Spannung in den unterschiedlichen Netzsträngen gehalten wird. So wird auch bei Anschlüssen, die etwas weiter von der Trafostation liegen, die Versorgungsqualität sichergestellt.
Das Lademanagement optimiert die Ladevorgänge und verhindert zugleich eine Netzüberlastung. In der E-Mobility-Allee wurden zwei Systeme entwickelt und eingesetzt: Eines, das die Netzüberlastung vorsorglich verhindert, ein anderes, das im Bedarfsfalle gegensteuert.
Der zentrale Batteriespeicher wird am Ende des öffentlichen Stromkabels angeschlossen. Anhand der Messdaten aus dem Ortsnetz lässt sich der Speicher intelligent und präzise abgestimmt auf die aktuelle Netzbelastung steuern.
Die Erkenntnis
Im Laufe der Zeit verließen sich die Teilnehmer*innen zunehmend auf die Batteriekapazität ihres E-Autos. Während die Anzahl der Ladevorgänge sank, stieg die geladene Energiemenge pro Vorgang – das Vertrauen in die Reichweite wuchs stetig. Wie erwartet, betrug die maximale Anzahl gleichzeitig stattfindender Ladevorgänge 50 Prozent – es wurden nie mehr als fünf E-Fahrzeuge gleichzeitig geladen. Außerdem erwies sich die verbaute Technik zur Netzoptimierung als hilfreich: Das Stromnetz war zu keinem Zeitpunkt an der Belastungsgrenze.
Das E-Mobility-Carré – Laden in der Tiefgarage eines Mehrfamilienhauses
Die Hälfte der Wohneinheiten in Deutschland befindet sich in Mehrfamilienhäusern. Eine steigende Nachfrage nach kundenfreundlichen Lösungen für das Laden in Tiefgaragen ist auch hier zu erwarten. Zumal eine gesetzliche Hürde beseitigt wurde: Bislang mussten alle Eigentümer der Installation einer Ladevorrichtung zustimmen, inzwischen reicht eine einfache Mehrheit. Die Wohnanlage „Pura Vida“ in Tamm erwies sich als geeigneter Testkandidat.
Die Netze BW wollte wissen:
- Wie muss der Netzanschluss einer Wohnanlage dimensioniert sein, wenn künftig viele E-Fahrzeuge in einer gemeinsamen Tiefgarage geladen werden?
- Wie ist das Ladeverhalten der Bewohner*innen?
- Wie wirkt es sich auf das Stromnetz aus?
Hier wird die Mittelspannung in Niederspannung transformiert und der Strom an die Hausanschlüsse verteilt. An dieser Stelle ist zusätzliche Messtechnik verbaut, die für das NETZlabor relevante Messdaten aus dem Stromnetz aufzeichnet.
Der separate Netzanschluss versorgt die Ladeinfrastruktur in der Tiefgarage direkt aus der Ortsnetzstation mit Strom und deckt somit den erhöhten Leistungsbedarf durch die Elektromobilität.
Die zentrale Ladelösung kann insgesamt 24 E-Fahrzeuge gleichzeitig mit Leistung versorgen. Zusätzlich werden hier die Messdaten für die einzelnen Ladepunkte erhoben, aus denen das Nutzungsverhalten und technische Lösungen unter realen Bedingungen analysiert werden.
In Zeiten mit hohem Stromverbrauch wird die Ladeleistung gezielt reduziert und damit ein Teil des Ladevorgangs auf Zeiten mit geringerer Auslastung des Stromnetzes verschoben. Somit verringert sich der maximale Leistungsbedarf im Stromnetz.
Zwei Batteriespeicher können zusätzlich Strom in die Tiefgarage einspeisen, wenn viele E-Autos gleichzeitig laden. Das entlastet den Netzanschluss.
Über die Ladepunkte werden die E-Fahrzeuge geladen. Jeder davon hat eine maximale Ladeleistung von 11kW.
Die Erkenntnis
Auch unter den Bedingungen von Corona und Homeoffice fuhren die E-Fahrzeuge durchschnittlich 1.100 Kilometer pro Monat. Über die Hälfte der Zeit wurde überhaupt kein Auto geladen. Trotz der 58 installierten Ladepunkte, fanden parallel nie mehr als 13 Ladevorgänge statt. Auch hier half ein intelligentes Lademanagementsystem das die Anschlussleistung der Ladepunkte abgesenkt hatte und so Lastspitzen minimierte. Die befürchtete maximale „Gleichzeitigkeit“, die sich auf das Stromnetz belastend auswirkt, blieb aus. Sie betrug lediglich 22 Prozent. Obwohl die Ladeleistung zeitweise reduziert wurde und dies zu etwas längeren Ladezeiten führte, fühlten sich über 90 % der Teilnehmenden nicht eingeschränkt.
Die E-Mobility-Chaussee – Laden im ländlichen Versorgungsgebiet
Für die Netze BW der erste Test in ländlicher Region mit ganz eigenen Herausforderungen. Denn die Römerstraße in Kusterdingen hat einen 850 Meter langen Stromkreis und ist somit ein typisches Beispiel für die ländliche Netztopologie. Je länger das Kabel ist, desto häufiger kann es zu Spannungsschwankungen kommen. Sieben E-Fahrzeuge stellte die Netze BW zur Verfügung, ein Bewohner nahm mit seinem privaten E-Fahrzeug an dem Feldversuch teil.
Die Netze BW wollte wissen:
- Hat das Ladeverhalten im ländlichen Raum eine andere Auswirkung auf die Gleichzeitigkeit als in städtischen Wohngebieten?
- Welche Auswirkungen haben Ladevorgänge auf die Netzspannung in einem ländlichen Stromkreis?
- Welche technischen Lösungsansätze eignen sich, um die Elektromobilität sicher in das Netz integrieren zu können?
In ländlichen Regionen werden zukünftig immer mehr Menschen mit Elektroautos unterwegs sein. Für das Stromnetz ist das eine große Herausforderung. Denn hier sind die einzelnen Stromkreise deutlich länger als in städtischen Gebieten. Welche Auswirkungen Elektromobilität in den nächsten Jahren auf das ländliche Stromnetz haben wird, testet die Netze BW daher schon heute unter realen Bedingungen in einem 850m langen Stromkreis in Kusterdingen (Landkreis Tübingen).
Getestet wird ein zentraler Batteriespeicher mit einer Kapazität von 66 kWh. Dieser soll in Zeiten von hohem Stromverbrauch dazu dienen, die Spannung im Netz stabil zu halten.
Reicht der eigenerzeugte Strom einer PV-Anlage für das Laden des E-Autos, ohne dabei zusätzlichen Strom aus dem öffentlichen Netz zu beziehen? Untersucht wurde, inwieweit ein dezentraler Heimspeicher den Verbrauch eines Haushalts optimieren und trotz eines erhöhten Bedarfs zur Selbstversorgung ausreicht.
Das Lademanagement optimiert die Ladevorgänge und verhindert zugleich eine Netzüberlastung.
Strangregler sorgen dafür, dass die Spannung in den unterschiedlichen Netzsträngen gehalten wird. So wird auch bei Anschlüssen, die etwas weiter von der Trafostation liegen, die Versorgungsqualität sichergestellt.
Die Netzsituation sollte in Echtzeit überwacht und die Ergebnisse in jeder Testphase ausgewertet werden können. Hierfür wurde im Stromnetz an drei Orten hochsensible Messtechnik verbaut.
Die Erkenntnis
Weil die Anzahl an E-Fahrzeugen einem realistischen Szenario entsprach, wurde auch ein Stresstest durchgeführt: Alle E-Fahrzeuge wurden zum selben Zeitpunkt geladen, um die 100 % Gleichzeitigkeit zu simulieren. Das gleichzeitige Laden der acht E-Fahrzeuge hat das Stromnetz lokal an seine Belastungsgrenze gebracht. Das zeigt, dass die Integration von E-Fahrzeugen in das heutige Stromnetz punktuell herausfordernd sein kann. Damit ist klar: Eine Integration der Elektromobilität in das Netz kann gelingen, wenn ein intelligentes Lademanagement eingesetzt und zudem das Netz weiter ausgebaut wird. Aber schon jetzt erlaubt das Lademanagement, die Anzahl der Ladepunkte zu erhöhen, um so Interessierten den Umstieg auf ein E-Fahrzeug schneller zu ermöglichen. Zeit, die genutzt werden kann, das Netz zukunftssicher auszubauen.
Handlungsfelder für ein stabiles Netz
Um das Netz zukunftssicher zu gestalten, hat die Netze BW vier Handlungsfelder definiert. Dabei helfen die NETZlabore, diese erfolgreich umzusetzen:
Im Blick: Kund*innen. Für sie soll die Anmeldung einer Ladeinfrastruktur bei der Netze BW unkompliziert und schnell sein. Um die erwartbaren Neuanmeldungen schnell bearbeiten zu können, entwickelt die Netze BW einen digitalen Ende-zu-Ende-Prozess für den Netzanschluss von Ladeinfrastruktur.
Im Blick: Das Netz selbst. Denn mit steigender Zahl der E-Fahrzeuge muss auch die Ladeinfrastruktur ausgebaut werden, und dies führt zu einer höheren Belastung der Stromnetze. Eine konsequente Digitalisierung des Verteilnetzes hilft, jederzeit über die Netzsituation informiert zu sein.
Im Blick: die Beteiligten. Für alle soll das Laden der E-Fahrzeuge sofort und zuverlässig möglich sein. Deshalb entwickelt die Netze BW auch in Gebieten mit stark ausgelasteten Stromnetzen innovative Lösungen wie das Lademanagement oder eine Steuerung über das intelligente Messsystem mit Steuerbox.
Im Blick: die Entwicklung der E-Mobilität. Die Netze BW baut das Stromnetz vorausschauend und bedarfsgerecht aus. Hierfür investiert das Unternehmen 500 Millionen Euro bis zum Jahr 2025.
NETZlabor Intelligentes Heimladen
Im NETZlabor Intelligentes Heimladen entwickelt die Netze BW ein Lademanagement für den privaten Bereich, das skalier- und standardisierbar sein soll. Um das zu erreichen, wird es an fünf Standorten, verteilt über ganz Baden-Württemberg, stufenweise getestet und weiterentwickelt.
Fünf Standorte mit jeweils anderen Herausforderungen waren Testgebiete:
Ein Stromkreis im ländlichen Raum, der insbesondere durch zahlreiche Wärmestromanlagen bereits stark ausgelastet ist.
Ein kurzer, verzweigter Stromkreis im vorstädtischen Raum.
Ein Stromkreis im ländlichen Raum, der durch viele installierte Photovoltaikanlagen eine hohe Einspeiseleistung aufweist.
Ein Stromkreis in einem typischen Wohngebiet, der bereits vor Projektbeginn mehrere Wallboxen umfasste.
Ein Stromkreis im ländlichen Raum mit einer Kombination aus installierten Wärmestrom - und Einspeiseanlagen. Zudem zeichnet sich der Standort Wangen durch anspruchsvolle Witterungsbedingungen aus – insbesondere im Winter
Die Ausgangslage
Die meisten E-Mobilist*innen laden ihre Fahrzeuge zuhause, häufig in den Abendstunden. In diesem Zeitraum führt das zu einer hohen Belastung des Stromnetzes der Netze BW, das darauf ursprünglich nicht ausgelegt war. Eine mögliche Lösung: Lademanagement. Hierbei wird die maximale Ladeleistung zu Zeiten, in denen das Stromnetz stark beansprucht wird, reduziert.
Die Zielsetzung
- Kritische Belastungsspitzen im Stromnetz werden künftig durch eine standardisierte Technik reduziert, ohne dabei das Mobilitätsverhalten der Kund*innen einzuschränken.
- Netzengpässe vermeiden durch eine einheitliche Steuerung der Wallboxen über Smart Meter.
Die Standorte wurden mit je sechs bis acht E-Fahrzeugen und der zugehörigen Ladestationen ausgestattet.
Die Netze BW wollte wissen
- Wie lässt sich die Ladeleistung kundenfreundlich steuern, ohne dabei das Netz zu überlasten?
- Wie kann eine standardisierte Lösung aussehen?
- Wie wirkt sich das Ladeverhalten der Teilnehmenden auf das Stromnetz aus?
Lademanagement beschreibt die gezielte Steuerung der Ladeleistung, die dem E-Fahrzeug zur Verfügung steht. Kommt es zeitweise zu Lastspitzen im Stromnetz, können diese durch Lademanagement ausgeglichen werden. Hierbei wird die maximale Ladeleistung zu Zeiten, in denen das Stromnetz stark beansprucht wird, reduziert. Das Stromnetz wird dadurch entlastet.
Von der Umspannstation aus wird das NETZlabor Intelligentes Heimladen mit Strom versorgt. Der Transformator in der Umspannstation ist dabei die Schnittstelle zwischen dem „regionalen“ und dem „lokalen“ Verteilnetz. Laden viele E-Fahrzeuge gleichzeitig, können Lastspitzen entstehen, das Stromnetz ist dadurch stärker ausgelastet. Eine gezielte Steuerung von Ladevorgängen kann bestehende Kapazitäten wirkungsvoll ausnutzen. Damit können mehr E-Fahrzeuge laden.
Die meisten Ladevorgänge finden zwischen 18 und 22 Uhr statt. Die Zeit, in der auch die üblichen Haushaltsgeräte wie Backofen oder Herd häufig in Gebrauch sind, was zu kritischen Belastungen führen kann. Vermeidbar ist das durch ein Lademanagement. Während eines “kritischen” Zeitraums wird die Ladeleistung des E-Autos reduziert. Ist die Netzbelastung zu einer späteren Uhrzeit wieder geringer, kann das E-Auto erneut mit voller Leistung geladen werden. So konnten im Netzlabor knapp 61 Prozent der nachgeladenen Energie in Zeiten mit niedrigerer Netzauslastung verschoben werden. Idealerweise während der Nachtstunden – der langen Standzeit der E-Fahrzeuge.
Vom Testszenario zum Standard: Vier Entwicklungsstufen des Lademanagements
Stufe 1:
Zur Steuerung der Ladeleistung sind verschiedene Komponenten erforderlich: ein Smart Meter (ein digitaler Zähler mit Kommunikationsschnittstelle) und eine Steuerbox (sie gibt den Steuerbefehl an die Wallbox weiter) - alles vom gleichen Hersteller. Damit erfolgt die Datenübertragung über ein herstellerspezifisches Protokoll, sodass nur einheitliche Geräte steuerfähig sind. Die Ladeleistung der Wallbox wird "einstufig" gesteuert. Das bedeutet, das E-Auto kann entweder uneingeschränkt oder aber eingeschränkt geladen werden, zum Beispiel mit einer maximalen Leistung von 50 Prozent.
Stufe 2:
In dieser Stufe werden die Komponenten von verschiedenen Herstellern eingesetzt, die dennoch untereinander kommunizieren können, da sie auf Basis eines standardisiertes Kommunikationsprotokolls (IEC-Norm) miteinander funktionieren. Die Steuerbefehle sind weiterhin “einstufig”.
Stufe 3:
Der Smart Meter erfasst und versendet nun auch Zustandsdaten der Wallbox. Es wird keine separate Messung (wie in vorherigen Stufen) mehr benötigt. Steuerung und Messung erfolgen nun über eine Infrastruktur, die Steuerbefehle sind jedoch weiterhin “einstufig”.
Stufe 4:
Neben allen Entwicklungen der vorangegangenen Stufen verfügt die Steuerbox jetzt auch über eine standardisierte, digitale Kommunikationsschnittstelle zur Wallbox. Damit lassen sich mehrstufige oder sogar stufenlose Steuerbefehle umsetzen. Leistungsdaten der Wallbox sind ebenfalls jederzeit nach Bedarf abrufbar.
Zahlen. Daten. Fakten. Der Alltagtest mit Elektromobilität und intelligentem Lademanagement
- 37 teilnehmende Haushalte fuhren E-Fahrzeug
- 380.000 Kilometer, zur Arbeit, Hobby, Einkäufe, (Tages-) Ausflüge, Urlaubsreisen
- 4.000 Ladevorgänge (hauptsächlich zwischen 18:00 und 22:00 Uhr)
- 2,7 Stunden durchschnittliche Dauer
- 18,5 kWh pro Ladevorgang nachgeladen
- 90 Prozent der Zeit lädt maximal ein E-Fahrzeug
Die Erkenntnis
Durch eine gezielte Reduktion von Lastspitzen während der Hauptladezeiten können mehr Elektrofahrzeuge über das Niederspannungsnetz laden. Um circa 30 - 50 Prozent wurden die E-Mobilitätsspitzen verringert, ohne dass sich die Teilnehmenden eingeschränkt fühlten, zumal die E-Fahrzeuge am Morgen immer vollgeladen waren. Das Lademanagement mit der im NETZlabor eingesetzten Technik, ist in seiner Wirksamkeit zur Netzoptimierung unumstritten. Daher sollte sie in der Zukunft flächendeckend dort eingesetzt werden, wo es netztechnisch benötigt wird.
Weitere Informationen
- Aufzeichnungen zur Veranstaltung eNetz 2.0 - Netze BW GmbH
- Virtuelle Tour durch das Netzlabor Intelligentes Heimladen - Netze BW GmbH
+++ Eine Information des Netzbetreibers Netze BW +++