Konzepte und Begriffe

Die Verknappung der Erdölreserven bei gleichzeitiger Zunahme der weltweiten Nachfrage hat in den letzten Jahren zu einer stetigen Erhöhung der Kosten für die Individualmobilität geführt. So kam es in Deutschland in den vergangenen zehn Jahren zu einem Anstieg des Benzinpreises von 49 Prozent und des Dieselpreises von 72 Prozent. Der Wunsch nach Unabhängigkeit von Ölreserven bewirkt eine wachsende Akzeptanz für alternative Mobilität. Darunter fallen unter anderem Themenbereiche wie die Stromversorgung, Ladekonzepte, Informationsund Kommunikationstechnologien sowie die Integration von Elektrofahrzeugen in den zukünftigen Straßenverkehr. Im Allgemeinen beinhalten die genannten Infrastrukturaspekte tendenziell reaktive Maßnahmen. Dies bedeutet, dass ihre Entwicklung von dem Fortschritt der Elektromobilität abhängig ist und eher eine Anpassung an die gegebene Marktsituation erfordert. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass infrastrukturelle Aspekte mit zunehmender Marktdurchdringung der Elektrofahrzeuge an Relevanz gewinnen werden. In der heutigen Gesellschaft, die geprägt ist von komplexen und voll automatisierten Produktionsprozessen, sowie einer immer weiter fortschreitenden Kommunikation, ist die Versorgung mit elektrischem Strom unverzichtbar geworden. Eine zuverlässige Stromversorgung für alle ist eine Selbstverständlichkeit. Die Ansprüche in Deutschland an die Netzstabilität sind dementsprechend sehr hoch, weil durch das Energiewirtschaftsgesetz (EnWG) sind die Betreiber der deutschen Stromnetze in der Pflicht, die störungsfreie Versorgung mit elektrischer Energie zu gewährleisten. Elektromobilität und Erneuerbare Energien gehören zusammen. Damit dies möglich wird, muss die in Deutschland bisher vorherrschende verbrauchsabhängige Energieerzeugung sich in der Zukunft zu einer erzeugungsabhängigen Verbrauchersteuerung entwickeln - Zukünftige intelligente Stromnetze, sog. Smart Grids in Kombination mit neuartigen Speichertechnologien sind bereits heute von großer Bedeutung.

Der Strombedarf eines Elektrofahrzeugs liegt mit ca. 2.200 kWh pro Jahr in der Größenordnung eines kleineren Familienhaushaltes. Über das Jahr verteilt legt ein herkömmlicher Pkw eine Strecke von ca. 14.000 km zurück. Der Verbrauch an elektrischer Energie wird von den Herstellern mit ca. 15 kWh für eine Strecke von 100 km ausgewiesen. Gemessen am Gesamtstromverbrauch Deutschlands bedeutet dies einen Zuwachs von lediglich 0,36 Prozent. Diese Leistung, die an bestimmten Zeitpunkten im Verlauf eines Tages bereitgestellt werden muss, gliedert sich wie folgt: 8 Uhr morgens, 11 Uhr mittags sowie 17 Uhr nachmittags (Spitzenlast). Es ist davon auszugehen, dass in der Einführungsphase der Elektromobilität der Ladevorgang hauptsächlich am Wohnort stattfinden wird (Stellplatz-Ladung, keine zentrale Regelung). Es sollte frühzeitig damit begonnen werden, ein intelligentes Lastmanagement einzuführen, welches Lastspitzen verhindert, die Netzstabilität verbessert und eine effizientere Ausnutzung der vorhandenen Kapazitäten ermöglicht.

Eine intelligente Technik, die das Stromnetz der Zukunft mit Hilfe von Informationsund Kommunikationstechnik steuert, wird somit immer wichtiger. Denkbar sind Stromtarife, die ihre Preise je nach aktueller Verfügbarkeit der produzierten Strommenge anpassen und damit eine effizienteren Auslastung des Stromnetzes ermöglichen. Lastspitzen können somit weiter reduziert werden. Neben Smart Grids spielen auch Speichertechnologien eine wichtige Rolle in dem Vorhaben, Elektrofahrzeuge zu 100 Prozent aus Erneuerbaren Energien zu betreiben. Sie ermöglichen es in Zeiten der Überproduktion Energie zu speichern und diese bei Lastspitzen wieder abzugeben, wenn diese an der Ladestation angeschlossen sind. Um den Bau neuer Stromleitungen zu vermeiden oder die relativ lange Bauzeit zu überbrücken, wird in Deutschland der Technologie der Druckluftspeicherkraftwerke eine größere Bedeutung zugesprochen. Zur Speicherung der Energie wird Luft komprimiert und in Kavernen, die sich unter der Erde befinden gespeichert. Zur erneuten Stromerzeugung wird diese Luft einem Gasturbinenprozess zugeführt. Speziell zur Speicherung überschüssiger Windenergie in Norddeutschland wird die Bedeutung dieser Speicherart weiter zunehmen. Als Speicherkavernen eignen sich vor allem Salzstöcke, die in Schleswig-Holstein und Niedersachsen in ausreichender Anzahl verfügbar sind.

Vehicle to Grid (V2G)
Bei dieser Speichertechnologie wird die in Elektrofahrzeugen verbaute Batterie zum Ausgleich von Stromschwankungen verwendet. Weniger als zehn Prozent der PKWs in Deutschland sind ständig in Bewegung, der Rest befindet sich im parkenden Zustand und könnte während dieser Zeit zum Ausgleich der Stromschwankungen dienen. Zum Vergleich könnten 1 Million Elektrofahrzeuge mit einer Speicherkapazität von 25 kWh und einer 2/3 Entladung eine Leistung von 10.000 MW liefern. Weiterhin sind die in Kombination mit Smart Grids denkbaren flexiblen Strompreise zu nennen. So könnte ein Elektrofahrzeug den in der Nacht günstigen Strom von Windkrafträdern aufnehmen und zu Zeiten höherer Nachfrage und damit höherer Preise wieder an das Netz abgeben. So kann neben einer Stabilisierung des Stromnetzes auch eine Refinanzierung der hohen Kosten für Batterien geschehen. Eine Win-Win-Situation für den Autobesitzer, die Energieversorger und die Umwelt ist denkbar.

Typ2 Ladestecker
Um unabhängig an verschiedenen Stellen Strom tanken zu können, ist eine einheitliche Ladesteckvorrichtung notwendig. Hierzu haben sich europäische Energieunternehmen und Automobilhersteller deutlich für den Typ 2 Stecker ausgesprochen. Der Typ 2 Stecker ist bereits bidirektional ausgelegt. Dies bedeutet der Strom kann sowohl Energie in die Fahrzeugbatterie übertragen, sowie Energie aus der Batterie in das Stromnetz leiten. Geeignet ist dieser Stecker für Ladeströme von 13 A bis 63 A und für Ein- und Dreiphasen Anschlüsse. Über die Kontakte „control pilot“ und „earth“ wird die Datenkommunikation durchgeführt. Der Typ 2 Stecker bietet eine Ladeleistung von bis zu 44 kW. Somit bietet der Typ 2 Stecker die höchste Ladeleistung ohne Nachteile in Bezug auf Kosten, Gewicht und Größe. Weiterhin bietet der Stecker einen Wegfahrschutz. Das bedeutet, ein versehentliches oder nicht autorisiertes Ausreißen des Steckers ist nicht möglich, da ein eigener Stromkreis die Steckverbindung überprüft. Zudem wird erst bei einer optimalen Verbindung zwischen Stecker und Fahrzeug die Spannung angelegt. Eine am Stecker angebrachte Laderegelung ermittelt den kontinuierlichen Strom- und Spannungsbedarf des Fahrzeugs und kontrolliert den Zustand der elektrischen Komponenten. Der Typ 2 Stecker ist so gestaltet, dass selbst ein Überfahren des Steckers nicht zu einer Beschädigung führt. Die Anschaffungs- und Anschlusskosten für Ladestationen sind relativ gering, jedoch müssen zusätzlich Kosten zur Sicherstellung der Betriebssicherheit sowie Folgekosten durch Vandalismus mitberücksichtigt werden. Eine Ampel zeigt an, ob gerade ein Fahrzeug geladen wird (rot) oder ob die Ladestation frei ist (grün).

Mode 3
Bei diesem Modus wird eine Wechselstrom Schnellladung mit bis zu 250 A verwendet. Heutzutage wird meist schon bei einer Ladeleistung von rund 22 kW von Schnellladung gesprochen, hierfür müssen spezielle Ladestecker sowie ein, wie oben bereits beschriebener, control pilot verwendet werden. Dieser kann zusätzlich die Strombelastbarkeit und den Stromfluss der Ladestation steuern sowie die Verbindung zwischen Stecker und Fahrzeug verriegeln. Die Normalladung benötigt durch ihre relativ niedrige Ladeleistung zwischen 3 und 16 Stunden, je nach Netzanschluss, bis die Batterie vollständig geladen ist. Zum Beispiel spricht man bei einer Ladeleistung von 3,7 kW (230 V, 16 A, einphasig), bei einer Batteriekapazität von 30 kWh von einer Ladezeit von 8 bis 10 Stunden. Somit könnte man sagen, die Schnellladung ist eindeutig vorzuziehen, da somit Ladezeiten eingespart werden können. Jedoch muss bedacht werden, dass diese Ladeart die Lebenszeit einer Batterie reduziert. Durch die Nutzung hoher Ladeleistungen entsteht eine starke Wärmeentwicklung. Um das volle Potential der Schnellladung zu nutzen, sind anspruchsvolle Kühlsysteme und Fahrzeuge mit kompatiblen Batterieschnittstellen notwendig. Fahrzeuge werden daher heute von mehreren Digitalmodulen (Steuergeräten) gesteuert, die durch Bussysteme miteinander koordiniert werden und kommunizieren. Diese Technologie könnte beispielsweise bei Taxis Anwendung finden, da lange Standzeiten in diesem Bereich mit hohen Umsatzeinbußen verbunden wären. Bei diesem Lösungsansatz wird das Fahrzeug mit einer speziellen „On Board Unit“ (OBU) oder mit einem modifiziertem Steuergerät (Elektronic Control Unit (ECU)) ausgestattet, über die das Fahrzeug mit anderen Fahrzeugen (Car-to-Car) oder mit einem Dienstanbieter (Car-to-Infrastructure) kommunizieren und Daten austauschen kann.

ISO 15118
Die Ladestationen senden und empfangen beim Energietransfer große Datenmengen (Bezahlungsdaten, Kundendaten und Messwerte) zwischen Elektrofahrzeug und Provider. Bei der Datensicherheit müssen die Abrechnungsdaten signiert und verschlüsselt übertragen werden. Ladesäulen dienen somit auch als Schnittstelle für Datenaustausch zwischen Elektrofahrzeug und Smart Grid. Die ISO 15118 nutzt das TLS-Protokoll (Transport Layer Security). Die Ladesäule muss sich als vertrauenswürdig ausweisen. Danach werden beide Partner über eine vertrauliche Sitzung (sichere Verbindung) Daten austauschen. Diese Lösung ist bereits aus dem Homebankingbereich bekannt. Bei der Absicherung von Elektromobilität und Smart Grid müssen zuverlässige und funktionierende Verfahren verwendet werden, um das Vertrauen der Nutzer zu gewinnen. Durch Elektromobilität entstehen viele Chancen die genutzt werden müssen. Die Elektromobilität ermöglicht beispielsweise die Reduktion des CO 2 -Ausstoßes im Verkehr und minimiert die Energieimportabhängigkeit. Diese positive Eigenschaft der e-Mobility sollte weiter ausgebaut werden.

Ausblick: Somit ist der Elektrofahrzeugverkehr, neben der bereits berücksichtigten Energiekonzeption, als Teil der kommunalen Siedlungs-, Stadt- und Verkehrsplanung zu betrachten. Dabei findet ein Wandel des städtischen Verkehrsteilnehmers vom Mobilitätsbesitzer zum Mobilitätsnutzer statt. Exemplarisch ist innerstädtisches Parken meist nicht günstig. Es müssten unterstützende Kombinationen geschaffen werden, welche Parkgebühren und Stromkosten verbinden. Des Weiteren könnten Ladestromkonzepte mit einer monatlichen Grundgebühr eine hilfreiche Möglichkeit darstellen. Tendenziell können all diese Punkte Hindernisse für eine Integration darstellen, zum einen schrumpft der Markt stetig, was vor allem auf den Gesellschaftsstrukturwandel sowie das sich wandelnde Statusdenken der heutigen Gesellschaft zurückzuführen ist. Zum anderen steigen die Anforderungen an die Mobilitätsprodukte und -dienstleistungen. Aus technischer Sicht ist die Technologie schon heute für den Endverbraucher ausreichend weit entwickelt.