Bi-direktionales Laden von Elektrofahrzeugen

Beschreibung

Die meisten Autos stehen 90-95% der Zeit untätig herum. Mit dem beschleunigten Umstieg auf Elektrofahrzeuge (EVs) bieten die Batterien von EVs ein enormes Potenzial, was die Nutzung ihrer enormen kollektiven Speicherkapazität als flexible Lösung zur Unterstützung des Stromnetzes angeht, das mit einer intermittierenden erneuerbaren Energieversorgung belastet werden kann. Bidirektionales Laden von Elektrofahrzeugen (V2X) bezieht sich auf Ladegeräte für Elektrofahrzeuge, die nicht nur die Batterie des Fahrzeugs aufladen, sondern auch Energie aus der Fahrzeugbatterie entnehmen und bei Bedarf wieder in das Netz einspeisen können.

Es gibt zwei primäre Empfänger für die Energie eines Elektrofahrzeugs: das Stromnetz (V2G) und die Elektrizität aus einem Haus oder Gebäude (V2H). Das bidirektionale Laden schafft eine größere Synergie zwischen dem sauberen Verkehrssektor und den erneuerbaren Energiequellen, da die Autobatterien überschüssige Energie aus variablen erneuerbaren Quellen wie Wind und Sonne speichern können und dann bei hoher Nachfrage oder geringer Energieproduktion Strom an das Netz oder das Haus liefern. Dies verringert die Unterbrechung der Stromversorgung, senkt den Bedarf an Investitionen in die Netzinfrastruktur und ermöglicht eine stärkere Integration erneuerbarer Energien. Darüber hinaus kann das V2H-Laden bei Stromausfällen als Notstromquelle dienen, und V2G kann Fahrzeugbesitzern durch Arbitrage von zeitvariablen Energiepreisen ein zusätzliches Einkommen verschaffen.

Zu lösende Probleme

Stadtkontext

Da Städte immer mehr erneuerbare Energie erzeugen, um ihre Ziele der Kohlenstoffneutralität zu erreichen, bietet das bidirektionale Laden ein kostengünstigeres Energiespeichersystem zum Ausgleich und zur Optimierung des Netzes. Damit das bidirektionale Laden in einer Stadt erfolgreich sein kann, muss es jedoch Vorschriften und politische Maßnahmen geben, die eine solche Lösung unterstützen:

• Damit die V2G-Technologie verlockend genug ist, um in großem Umfang eingesetzt zu werden, müssen die Besitzer von Elektrofahrzeugen in der Lage sein, Einnahmen aus den Flexibilitätsdiensten ihrer Autobatterie zu erzielen. Ein dänisches Pilotprojekt ergab Einnahmen von durchschnittlich 1860 EUR pro Jahr(Andersen, 2021).
• Außerdem müssen in der Stadt viele Elektrofahrzeuge mit den gleichen V2X-Fähigkeiten eingesetzt werden, damit die Batterien der Elektrofahrzeuge zu einer Art virtuellem Kraftwerk zusammengeschlossen werden können.
• Die Ladestationen und Verteilernetze für Elektrofahrzeuge müssen interoperabel sein, um eine Anbieterabhängigkeit zu verhindern und eine kosteneffiziente Konnektivität zwischen Elektrofahrzeugen und verschiedenen Ladeinfrastrukturen zu ermöglichen.
• Studien haben außerdem gezeigt, dass solarbetriebene Stromsysteme den größten Nutzen aus dem bidirektionalen Laden ziehen.

Da es sich um eine neue Technologie handelt, können Städte ein nachhaltiges Verhalten fördern, indem sie die Infrastruktur in kleinem Maßstab aufbauen (z.B. den städtischen Fuhrpark), mit der Absicht, die Lösung langfristig auszubauen. Um die breite Einführung des bidirektionalen Ladens zu unterstützen, sollten neu geplante Ladestationen zudem "intelligente" Ladegeräte sein, die den mit der V2X-Lösung beschriebenen Netzdienst ermöglichen.

Unterstützende Faktoren

1. Hohe Verbreitung von E-Fahrzeugen, so dass E-Fahrzeuge gebündelt werden können
2. Regulierung, die Preissignale zur Optimierung des Ladens und Entladens ermöglicht
3. Interoperabilität zwischen E-Fahrzeugen, Ladestationen und Verteilernetzen

Regierungsinitiativen

• In Großbritannien kommen nur Heimladestationen mit intelligenter Technologie für eine staatliche Förderung im Rahmen des Electric Vehicle Homecharge Scheme in Frage (IRENA, 2019).
• Das EU-Paket für saubere Energie beseitigt die "doppelten Gebühren" für den Bezug und die Einspeisung von Strom in das Netz (IRENA, 2019).

Stakeholder Mapping

Stakeholder-Karte eines bidirektionalen Ladesystems für Elektrofahrzeuge (BABLE, 2021)

Marktpotenzial

Nach Angaben des deutschen Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) waren Anfang 2019 weltweit 5,6 Millionen Elektroautos auf den Straßen unterwegs. Wenn die meisten der ab 2040 verkauften Pkw elektrisch betrieben werden, könnten bis 2050 mehr als 1 Milliarde E-Fahrzeuge auf den Straßen unterwegs sein. Das würde bedeuten, dass bis zur Mitte des Jahrhunderts etwa 14 Terawattstunden (TWh) an EV-Batterien für die Bereitstellung von Netzdienstleistungen zur Verfügung stehen würden, verglichen mit einer prognostizierten stationären Batteriekapazität von 9 TWh. Elektroautos müssen in der Regel nur 10 % der Zeit, in der sie stillstehen, aufgeladen werden und sind 95 % der Zeit geparkt, so dass 85 % ihrer Lebensdauer theoretisch für die Bereitstellung von Netzflexibilitätsdiensten zur Verfügung stehen(Mohammadi, 2019).

Kostenstruktur

Bidirektionale Ladestationen sind eine noch junge Technologie und nur sehr wenige sind auf dem Markt. Daher ist die Kostenstruktur sehr unterschiedlich und es wird erwartet, dass sie sich mit zunehmender Reife der Technologie ändern wird.

Die Kosten für ein bidirektionales Ladesystem für Elektrofahrzeuge entstehen durch die Schnittstellenkosten, die 3 bis 5 Mal höher sind als beim unidirektionalen Smart Charging. Außerdem ist neue Hardware erforderlich und die Batterien könnten schneller abgenutzt sein.

Daten und Standards

• Zu den internationalen Normen zur Standardisierung der V2X-Ladetechnik gehören IEC 63110 und IEC 61850 (IRENA, 2019)
• Eine aktualisierte Version der Norm ISO 15118 - 2, die sich mit der Kommunikation zwischen einem Elektrofahrzeug und einer Ladestation befasst, wird voraussichtlich 2021 in Europa veröffentlicht (ISO 15118-20). Dies wird die 'Plug & Charge'-Funktionalität ermöglichen. (IRENA, 2019)