Bidirektionales Laden von Elektrofahrzeugen

Beschreibung

Die meisten Fahrzeuge stehen 90–95 % der Zeit ungenutzt herum. Angesichts der beschleunigten Umstellung auf Elektrofahrzeuge (EVs) bieten die Batterien dieser Fahrzeuge ein enormes Potenzial, da ihre enorme gesammelte Speicherkapazität als flexible Lösung zur Unterstützung des Stromnetzes genutzt werden kann, das durch die schwankende Versorgung mit erneuerbaren Energien stark belastet werden kann. Unter bidirektionalem Laden von Elektrofahrzeugen (V2X) versteht man EV-Ladegeräte, die nicht nur das Laden der Batterie des Elektrofahrzeugs ermöglichen, sondern auch die Entnahme von Energie aus der Fahrzeugbatterie und deren Rückspeisung ins Stromnetz bei Bedarf.

Es gibt zwei Hauptempfänger für Strom aus einem Elektrofahrzeug: das Stromnetz (V2G) und den Stromverbrauch eines Haushalts oder Gebäudes (V2H). Das bidirektionale Laden schafft größere Synergien zwischen dem umweltfreundlichen Verkehrssektor und erneuerbaren Energiequellen, da die Fahrzeugbatterien überschüssige Energie aus variablen erneuerbaren Quellen wie Wind und Sonne speichern und diese dann bei hohem Bedarf oder geringer Energieerzeugung an das Stromnetz oder den Haushalt abgeben können. Dies reduziert Einspeisebeschränkungen, 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 zeitabhängiger Energiepreise zusätzliche Einnahmen verschaffen.

Zu lösende Probleme

Stadtkontext

Da Städte immer mehr erneuerbare Energie erzeugen, um ihre Ziele zur CO₂-Neutralität zu erreichen, bietet das bidirektionale Laden ein kostengünstigeres Energiespeichersystem zum Ausgleich und zur Optimierung des Stromnetzes. Damit das bidirektionale Laden in einer Stadt jedoch erfolgreich sein kann, müssen Vorschriften und politische Rahmenbedingungen vorhanden sein, die eine solche Lösung unterstützen:

• Damit die V2G-Technologie attraktiv genug ist, um in großem Maßstab eingesetzt zu werden, müssen Besitzer von Elektrofahrzeugen in der Lage sein, Einnahmequellen aus den Flexibilitätsdiensten, die ihre Fahrzeugbatterie bereitstellt, zu „bündeln“. Ein dänisches Pilotprojekt ergab Einnahmequellen von durchschnittlich 1.860 Euro pro Jahr (Andersen, 2021).
• Zudem muss in der Stadt ein hoher Grad an Elektrofahrzeug-Verbreitung mit einheitlichen V2X-Fähigkeiten gegeben sein, um die Bündelung der Elektrofahrzeug-Batterien zu ermöglichen und so eine Art virtuelles Kraftwerk zu schaffen.
• Die Ladestationen für Elektrofahrzeuge und die Verteilungsnetze müssen interoperabel sein, um eine Herstellerabhängigkeit zu vermeiden und eine kosteneffiziente Vernetzung zwischen Elektrofahrzeugen und unterschiedlichen Ladeinfrastrukturen zu ermöglichen.
• Studien haben zudem gezeigt, dass solarbasierte Stromsysteme den größten zusätzlichen Nutzen aus dem bidirektionalen Laden ziehen.

Da es sich um eine neue Technologie handelt, können Städte nachhaltiges Verhalten fördern, indem sie die Infrastruktur zunächst in kleinem Maßstab (z. B. für den kommunalen Fuhrpark) aufbauen, mit der Absicht, die Lösung langfristig weiterzuentwickeln. Um den großflächigen Einsatz des bidirektionalen Ladens zu unterstützen, sollten neu geplante Ladestationen zudem „intelligente“ Ladegeräte sein, die in der Lage sind, die mit der V2X-Lösung beschriebene Netzdienstleistung zu ermöglichen.

Unterstützende Faktoren

1. Hohe Verbreitung von Elektrofahrzeugen, damit diese gebündelt werden können
2. Regelungen, die Preissignale zur Optimierung des Lade- und Entladevorgangs ermöglichen
3. Interoperabilität zwischen Elektrofahrzeugen, Ladestationen und Verteilungsnetzen

Regierungsinitiativen

• Im Vereinigten Königreich kommen im Rahmen des „Electric Vehicle Homecharge Scheme“ nur Ladestationen für Privathaushalte, die mit intelligenter Technologie ausgestattet sind, für staatliche Fördermittel in Betracht. (IRENA, 2019)
• Das EU-Paket für saubere Energie beseitigt die „Doppelgebühren“ für die Entnahme und Einspeisung von Strom ins Netz. (IRENA, 2019)

Stakeholder Mapping

Akteursübersicht eines bidirektionalen Ladesystems für Elektrofahrzeuge (BABLE, 2021)

Marktpotenzial

Nach Angaben des Zentrums für Sonnen- und Wasserstoffforschung (ZSW) waren Anfang 2019 weltweit 5,6 Millionen Elektrofahrzeuge im Straßenverkehr unterwegs. Sollten die meisten ab 2040 verkauften Personenkraftwagen elektrisch betrieben sein, könnten bis 2050 mehr als 1 Milliarde Elektrofahrzeuge auf den Straßen unterwegs sein. Dies würde bedeuten, dass bis zur Mitte des Jahrhunderts rund 14 Terawattstunden (TWh) an Batteriekapazität von Elektrofahrzeugen für Netzdienstleistungen zur Verfügung stünden, verglichen mit einer prognostizierten stationären Batteriekapazität von 9 TWh. Elektrofahrzeuge müssen in der Regel nur während 10 % der Zeit, in der sie stillstehen, aufgeladen werden und stehen 95 % der Zeit geparkt; somit verbleiben theoretisch 85 % ihrer Lebensdauer, um Flexibilitätsdienste für das Stromnetz bereitzustellen (Mohammadi, 2019).

Kostenstruktur

Bidirektionale Ladestationen sind noch eine junge Technologie, und es sind bislang nur sehr wenige auf dem Markt erhältlich. Daher variiert die Kostenstruktur stark und wird sich voraussichtlich im Zuge der weiteren Entwicklung der Technologie ändern.

Die Kosten für ein bidirektionales Ladesystem für Elektrofahrzeuge entstehen durch die Schnittstellenkosten, die drei- bis fünfmal höher sind als bei unidirektionalem Smart-Charging. Zudem ist neue Hardware erforderlich, und die Batterien könnten schneller an Leistung verlieren.

Daten und Standards

• Zu den internationalen Normen zur Standardisierung der V2X-Ladetechnologie zählen die Normen IEC 63110 und IEC 61850 (IRENA, 2019)
• Eine aktualisierte Fassung der Norm ISO 15118-2, die sich mit der Kommunikation zwischen Elektrofahrzeugen und Ladestationen befasst, wird voraussichtlich 2021 in Europa veröffentlicht (ISO 15118-20). Diese wird die „Plug & Charge“-Funktionalität ermöglichen. (IRENA, 2019)