Mit Schwarmintelligenz zu mehr Effizienz
Author: Jana Bronsch-Chassard
Elektroautos könnten in Zukunft einen wesentlichen Beitrag zur cleveren und flexiblen Stromnutzung und zur Netzstabilität leisten. Weltweit laufen Pilotprojekte zum bidirektionalen Laden. Die Herausforderungen sind groß – aber auch die potenziellen Vorteile.
Ob mit Elektroantrieb oder als Verbrenner, eines haben privat genutzte Fahrzeuge gemeinsam: Sie stehen statistisch betrachtet im Durchschnitt täglich 23 Stunden. Doch bei den E-Fahrzeugen ergeben sich durch ihre Antriebsart auch andere Möglichkeiten der Nutzung, nämlich als zusätzlicher Stromspeicher, beispielsweise im Bereich des Hausstromnetzes. Der am Tag per Solaranlage generierte und nicht direkt verbrauchte Strom wird im Fahrzeug gespeichert. Am Abend oder in der Nacht könnte die gespeicherte Energie dann wieder in das Hausstromnetz eingespeist werden und so beispielsweise sämtliche Haushaltsgeräte mit Strom versorgen. Möglich wird das durch bidirektionales Laden. Das bedeutet, dass das Elektroauto nicht nur in der Lage sein muss, sich selbst aufzuladen, sondern auch die gespeicherte Energie wieder abzugeben. Und das Potenzial für diese Stromspeicher auf vier Rädern wird immer größer.
2022 wurden weltweit rund 7 Millionen BEVs abgesetzt
Im Vergleich Januar bis September 2021 zum gleichen Zeitraum 2022 wuchs die Zahl an Neuzulassungen von Fahrzeugen mit Elektroantrieb, den sogenannten BEV (Battery Electric Vehicle), in China von 1.748.000 auf 3.378.000. In den USA ist der Trend ähnlich, wenn auch in anderen Dimensionen: Von 164.000 neu zugelassenen BEV im Jahr 2021 stieg die Zahl der Neuanmeldungen auf 550.000. Europa erreicht als zweitgrößte Marktregion ebenfalls einen Rekordwert von knapp über einer Million BEV-Neuzulassungen. Mit über 470.000 macht davon der deutsche Absatzmarkt den Löwenanteil aus. In Norwegen betrug 2022 der BEV-Marktanteil an Neuzulassungen rund 80 Prozent. Damit dürfte Norwegen das erste Land sein, das bis 2025 „Zero Emission“ bei Neuzulassungen erreicht. Auch wenn nach Ansicht von Experten die Wachstumsdynamik in Europa langsam moderater wird, ist der globale Trend in Richtung Wachstum der Elektromobilität unverkennbar. Nach Schätzungen des Center of Automotive Management (CAM) wurden im Jahr 2022 weltweit rund 7 Millionen BEVs abgesetzt, was im Vergleich zum Vorjahr einer Steigerung von 63 Prozent entspricht.
„Schwarm-Batterie“
Der Ansatz, das E-Auto als Stromspeicher ins Hausnetz oder generell auch ins öffentliche Netz einzubinden, ist nicht neu. Was zunächst recht einfach klingt, ist technisch und in der Praxis nicht so trivial. Schon seit einigen Jahren wird an dieser Technologie geforscht. Dabei gibt es mehrere Ansätze. Die sogenannte „Vehicle-to-Home“-Technologie (V2H) beispielsweise befasst sich mit der Anbindung des E-Autos ans Hausnetz. Eine größere Dimension verfolgt der Ansatz der „Vehicle-to-Grid“-Technologie (V2G). Hierbei sollen möglichst viele Elektroautos ins allgemeine Energienetz eingebunden werden. Die Vorteile sind hier, dass die zu Spitzenzeiten erzeugte Energie zwischengespeichert und bei Verbrauchsspitzen am Abend wieder abgerufen werden kann. Dieser Ansatz der „Schwarm-Batterie“ könnte die Überproduktionen der erneuerbaren Energien auffangen und dabei helfen, die Energieversorgung mit fossilen Kraftstoffen zu reduzieren. Gleichzeitig bietet diese Art der Nutzung von Elektrofahrzeugbatterien auch eine Einkommensquelle für deren Besitzer. Wenn die Nachfrage die Stromproduktion übersteigt, stehen die E-Fahrzeug-Batterien als Reserve bereit. Indem sie einen kleinen Teil der gespeicherten Energie ans Netz abgeben, erhalten deren Besitzer eine Vergütung, ohne dass die Reichweite und damit die Mobilität im Wesentlichen eingeschränkt wird.
Bidirektionales Laden ermöglichen
Die Integration der Fahrzeuge in das Gesamtstromnetz könnte auch dazu beitragen, die Volatilität der durch Solar- oder Windkraftanlagen erzeugten Energie durch flexible Speichermöglichkeiten auszugleichen. Das Potenzial der E-Mobilität bietet durch V2G nicht nur eine nachhaltige Möglichkeit der Mobilität, sondern könnte auch zur Netzstabilität und Netzsicherheit beitragen. Um diese in der Theorie vielversprechenden Potenziale technisch umzusetzen, müssen jedoch viele Hürden genommen werden. Um das bidirektionale Laden zu ermöglichen, müssen die BEV mit speziellen Ladegeräten und Steuerungssoftware ausgestattet sein. Das Stromnetz muss zudem so konfiguriert sein, dass es die Einspeisung von Energie aus vielen verschiedenen Quellen verarbeiten kann, ohne instabil zu werden. Innerhalb von Millisekunden muss die Ladesoftware von Be- auf Entladen umstellen (oder umgekehrt), damit die Netzfrequenz immer um 50 Hertz bleibt und das Stromnetz stabil läuft. Ein weiterer technischer Aspekt liegt beim Fahrzeug selbst, wie Michael Ringleb, Produktbetreuer Elektrotechnik und E-Mobilität bei DEKRA, erklärt: „Ein Elektroauto fährt nur mit Gleichstrom, denn der Akku ist nur dafür ausgelegt. Es bedarf eines Wandlers, der aus dem Gleichstrom wieder Wechselstrom herstellt. Der Wandler kann entweder direkt am Fahrzeug eingebaut oder in einer DC-Wallbox integriert sein, was bei PV-Anlagen Vorteile bringt.“ Zudem gibt es noch einige regulatorische Anforderungen zu erfüllen: So müssen beispielsweise die E-Autos als „rollende Stromspeicher“ von den Netzbetreibern zugelassen werden.
Trotz dieser Herausforderungen arbeiten diverse Forschungsprojekte in den USA, Japan und in einigen europäischen Ländern an der Implementierung von bidirektionalem Laden. Fahrzeughersteller, Netzbetreiber und Forschungseinrichtungen untersuchen unter anderem, wie sich bidirektionales Laden auf die Fahrzeugbatterien auswirkt. Ein geläufiges Argument gegen V2G ist der Stress, dem die Batterien beim Be- und Entladen ausgesetzt sind und die daraus resultierende Alterung. Die Praxis zeigt jedoch, dass die Belastung der Akkus bei den netzdienlichen Anwendungen deutlich geringer ist als bei einem Ampelstart oder beim Schnellladen.
Positive Auswirkungen der intelligenten Schwarmstromspeicher
„DEKRA ist mit seinen E-Mobility Labors in Arnheim (Niederlande) und Concord (Kalifornien) primär involviert, um Hersteller und Regulierungsbehörden bei der Eliminierung der technischen und regulatorischen Hürden zu unterstützen. Beide Labors verfügen über die notwendigen Einrichtungen, um den Einfluss auf das Stromnetz und die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladestation mit dem kürzlich veröffentlichten internationalen V2G-Standard ISO 15118-20 zu simulieren. Das DEKRA Vehicle Grid Innovation Labor in Concord – kurz ViGIL – wird von der Kalifornischen Energie Kommission (CEC) zu eben diesem Zweck unterstützt, um die regulatorischen Hürden in Kalifornien abzubauen und einen einheitlichen Standard für das bidirektionale Laden zu schaffen, sodass in naher Zukunft jedes Fahrzeug an jeder Ladestation als dynamischer Speicher teilnehmen kann“, erklärt Beat Kreuter, Vice President, Business Line Safety Testing, Service Division Product Testing bei DEKRA.
Auch wenn technisch und regulatorisch noch einige Hürden zu nehmen sind, zeigen einige Rechenbeispiele, wie groß die positiven Auswirkungen der intelligenten Schwarmstromspeicher sind: Wären die rund eine Million in Deutschland zugelassenen Elektroautos gleichzeitig an eine Wallbox mit je 11 Kilowatt Ladeleistung angeschlossen, könnten ihre Batterien bis zu 11 Gigawatt Leistung abgeben oder aufnehmen. Das entspricht einer kurzfristigen Flexibilität von gut 2.500 modernen Windkraftanlagen, 30 Gaskraftwerken oder aller deutschen Pumpspeicherkraftwerke zusammen.