Das Auto als Haus- und Netzspeicher
Von Dirk Bongardt
Die Energiewende stellt Energieversorger und die Gesellschaft als Ganze vor große Herausforderungen: Elektromobilität kann einerseits einen wichtigen Beitrag leisten, um die CO₂-Emissionen zu reduzieren und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern. Die Integration von Elektrofahrzeugen ins Stromnetz bringt andererseits aufgrund des hohen punktuellen Stromverbrauchs enorme Herausforderungen mit sich. Smart Grids und bidirektionales Laden können in diesem Kontext das Stromnetz stabil halten und dazu beitragen, die Vorteile der Elektromobilität voll auszuschöpfen.
Schwarz auf Weiß
Dieser Beitrag erschien zuerst in unserem Heise-Themenspecial „Fotovoltaik“. Einen Überblick mit freien Download-Links zu sämtlichen Heften bekommen Sie online im Pressezentrum des MittelstandsWiki.
Smart Grids sind, wie der Name sagt, „intelligente“ Stromnetze: Sie ermöglichen es, Strom effizienter zu verteilen, erneuerbare Energien besser in das Netz zu integrieren und die Netzstabilität zu erhöhen. Die vielerorts verbauten smarten Stromzähler können Stromnetze aber nur dann intelligent machen, wenn sie nicht nur Informationen sammeln, sondern auch in der Lage sind, auf Basis dieser Informationen Maßnahmen einzuleiten. Bidirektionales Laden ist in diesem Kontext ein wichtiges Schlagwort. Elektrofahrzeuge, die bidirektionales Laden unterstützen, können bei Bedarf auch als Stromspeicher fungieren und überschüssige Energie zurück ins Netz einspeisen.
Allerdings gibt es auch hier noch viele Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt, wie z.B. die Anpassung der Ladeinfrastruktur und regulatorische Rahmenbedingungen.
Speichertechnologien
Stromspeicher für Fotovoltaik-Anlagen gibt es mit unterschiedlichen Technologien, darunter Salzwasserbatterien, Redox-Flow-Speicher, Wasserstoff als Stromspeicher oder Dampfspeicher. Zu den weiteren Typen gehören Stromspeicher auf Bleibasis, auf Lithium-Ionen-Basis oder auf Basis von Lithium-Nickel-Mangan. Die gängigsten Technologien sind Solarspeicher mit Blei- oder Lithium-Ionen-Akkus, wobei sich die Techniken in wichtigen Punkten deutlich unterscheiden. Es ist ratsam, die Kosten sowie die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der einzelnen Stromspeicherarten sorgfältig zu vergleichen, wenn es um die wirtschaftlichste Lösung für die individuellen Bedürfnisse einer Fotovoltaik-Anlage geht.
Hybrid-Wechselrichter sind eine alternative Lösung, die es ermöglicht, Solarstrom mithilfe interner oder externer Batterien zwischenzuspeichern. Die Größe und der Installationsort von PV-Anlage, Wechselrichter und Speicher müssen dabei genau aufeinander abgestimmt sein. Sowohl bei einer Neuinstallation als auch bei bestehenden Fotovoltaik-Anlagen bietet der AC-Speicher allerdings Flexibilität, ohne dass die vorhandene Anlage verändert werden müsste.
Teil 1 fängt dort an, wo derzeit der Schuh drückt: Der Umstieg auf erneuerbare Energien macht bei vielen dezentralen Erzeugern die Netzstabilität zu einem schwierigen Balanceakt. Die erste Aufmerksamkeit gilt darum (Puffer-)Speichern, Smart Metern – und eben flexiblen Netzen. Das Schüsselstichwort hierzu lautet „Sektorenkopplung“. Teil 2 berichtet aus Nordrhein-Westfalen, welche konkreten Lösungen für Smart Grids dort bereits im Einsatz sind. Teil 3 geht in den Süden und berichtet, wie Bayern bis 2050 seine Energie CO₂-neutral erzeugen will. Ein Extrabeitrag berichtet vom Neubau des 50Hertz-Rechenzentrums, außerdem gibt es einen Smart-Grid-Report aus Österreich. Weitere Regionalreports sind in Vorbereitung. (Bild: EMH metering)
Vehicle to Home und Vehicle to Grid
V2H und V2G sind Abkürzungen, die im Zusammenhang mit bidirektionalem Laden und Elektrofahrzeugen verwendet werden. V2H steht für „Vehicle to Home“ und bezeichnet die Möglichkeit, dass ein Elektrofahrzeug als Stromquelle für das eigene Haus genutzt wird. Das Fahrzeug fungiert hierbei als mobiler Stromspeicher und kann bei Bedarf Strom ins Haus einspeisen. V2G steht für „Vehicle to Grid“ und beschreibt die Möglichkeit, dass ein Elektrofahrzeug auch ins Stromnetz zurückspeisen kann. Hierbei wird überschüssige Energie aus dem Fahrzeug genommen und ins Netz eingespeist, um Stromschwankungen auszugleichen oder eine höhere Nachfrage zu bedienen.
Die Funktionsweise von V2H und V2G basiert auf der bidirektionalen Ladetechnologie. Elektrofahrzeuge werden hierbei nicht nur geladen, sondern können bei Bedarf auch Strom aus ihrem Akku abgeben. Dazu muss sowohl das Fahrzeug als auch die Ladeinfrastruktur entsprechend ausgestattet sein. Eine intelligente Steuerung der Ladevorgänge ist dabei unerlässlich, weil nur so eine optimale Ausnutzung der Ressourcen gewährleistet ist. Mit V2H und V2G ergeben sich zum einen Möglichkeiten einer besseren individuellen Integration erneuerbarer Energien – konkret z.B. einer Fotovoltaik-Anlage auf dem Eigenheim –, zum anderen können sie, gebündelt über Millionen Elektrofahrzeuge, die Effizienz und Stabilität des Stromnetzes als Ganzem verbessern.
Vehicle to Building und Vehicle to Load
Wo bidirektionales Laden draufsteht, ist allerdings nicht immer V2H oder V2G drin – das ist bei der Anschaffung eines entsprechenden Fahrzeugs unbedingt zu beachten. Neben den beiden genannten Technologien gibt es nämlich noch V2B (Vehicle to Building, also das Einspeisen des im Akku gespeicherten Stroms in ein Gebäudenetz), und V2L (Vehicle to Load, die allgemeine Möglichkeit, den gespeicherten Strom zum Aufladen anderer Akkus – etwa eines Smartphones – zu verwenden). Das alles wird gern unter dem Oberbegriff V2X (Vehicle to Everything) vermarktet. Aber nochmals: Vorsicht! Das Kürzel V2X steht auch für Fahrzeugkommunikation über Mobilfunktechnologie, dann meist mit dem vorangestellten Buchstaben C (also C-V2X), und hat dann nichts mit bidirektionalem Laden zu tun.
Die Vorteile von bidirektionalem Laden liegen auf der Hand: Energieversorger können über den dezentral gespeicherten Strom Lastspitzen und die bei erneuerbaren Energien unvermeidlichen Schwankungen ausgleichen. Hausbesitzer können ihr Elektrofahrzeug als Notstromaggregat verwenden. Wer ein Elektrofahrzeug besitzt, wird das dennoch kritisch sehen. Denn die häufige Entladung und Wiederaufladung der Fahrzeugbatterie kann die Lebensdauer der Batterie reduzieren.
Wallboxen und Anschlüsse
Die Voraussetzung für bidirektionales Laden ist eine spezielle Wallbox mit einem Gleichstromanschluss. E-Autos mit einem CHAdeMO-Anschluss erfüllen derzeit vor allem die Voraussetzungen. Das Laden in beide Richtungen ist bisher nur bei wenigen E-Autos möglich. Das Fahrzeug und die Ladeinfrastruktur müssen miteinander kommunizieren, damit der Austausch von Energie in beide Richtungen erfolgen kann. In der Zukunft sind jedoch bereits E-Autos und Wallboxen geplant, die auch über den bekannten Typ-2-Anschluss bidirektionales Laden unterstützen. VW z.B. hat seine E-Autos bereits seit Anfang 2022 mit einem neuen Softwarestandard ausgestattet, um alle Voraussetzungen für bidirektionales Laden zu erfüllen.
Ein weiterer Schlüssel zur Entwicklung zukunftsträchtiger Technologien ist ISO 15118. Diese Schnittstelle ermöglicht die bidirektionale Kommunikation zwischen E-Auto und Wallbox und wird als Schlüsselelement betrachtet. Wenn diese Technologie weiter ausgebaut wird, wird es ein größeres Angebot an Wallboxen geben, die bidirektionales Laden ermöglichen. Derzeit fehlt eine einheitliche Norm für die bidirektionale Kommunikation, und die Anschaffungskosten der Wallboxen sind höher sind als diejenigen herkömmlicher Ladestationen.
Der Einführungsbeitrag beginnt in Berlin – die Bundeshauptstadt ist experimentierfreudiger Vorreiter neuer Mobilitätskonzepte. Gute Beispiele meldet der Report auch aus Hamburg und Dresden. Teil 2 begibt sich dann in den Westen nach Nordrhein-Westfalen; dort hat das Zukunftsnetz Mobilität NRW viele Projektfäden in der Hand. Eine wichtige Rolle spielt hier der öffentliche Personennahverkehr, denn immer mehr Verkehrsbetriebe lassen ihre Busse mit Biogas fahren. Teil 3 geht zu den Ursprüngen der Automobilindustrie und sieht sich an, wie sich Baden-Württemberg und insbesondere Stuttgart die Zukunft der Mobilität vorstellen. Teil 4 berichtet aus dem benachbarten Flächenland Bayern, Teil 5 fährt über die Grenze nach Österreich. Außerdem gibt es bereits einen Report zu mobilen Stauwarnanlagen und intelligentem Verkehrsmanagement sowie zu autonomen Schiffen, Wasserstoffprojekten, Business-Bikes, Stadtseilbahnen sowie Lufttaxis und Urban Air Mobility.
Faires Laden und Entladen
Die Energieversorger, namentlich die Netzbetreiber, haben ein natürliches Interesse an bidirektionalen Systemen. Den Fahrzeugbesitzern mag der grundsätzliche Nutzen dieser Technologie einleuchten, aber ohne einen konkreten, individuellen Nutzen werden sie kaum bereit sein, in diese Technologie zu investieren. Natürlich ist ein stabiles Stromnetz für alle auch ein individueller Nutzen, wird aber bislang von den Verbrauchern eher als Selbstverständlichkeit angesehen.
Demgegenüber stünde bei bidirektionalem Laden die unangenehme Vorstellung, sein Auto am Abend in der Garage angeschlossen zu haben, nur um am nächsten Morgen festzustellen, dass der Akku leer ist. Weil es z.B: in der Nacht windstill war und einige Großverbraucher Lastspitzen verursacht haben.
Neben der Sorge um den leeren Akku dürfte manchen Fahrzeugbesitzer auch die Frage nach den Kosten umtreiben. Aktuell bekommt, wer Strom aus seiner Fotovoltaik-Anlage (als Teileinspeisung) ins öffentliche Netz einspeist, eine Vergütung, die bei grob einem Fünftel dessen liegt, was die Energieversorger dem Verbraucher berechnen. Rechenbeispiel: Wer seinen 65-kW-Akku am heimischen Anschluss lädt, bezahlt bei einem Preis von 40 Cent/kWh insgesamt 26 Euro. Wird dieselbe Menge Energie aus seinem Akku entnommen, bekäme er dafür nur 5 Euro (zugrunde liegt eine Einspeisevergütung von 8,2 Cent/kWh, die derzeit viele Fotovoltaik-Betreiber erhalten). Zu diesen Konditionen dürften die wenigsten bereit sein, ihr Fahrzeug den Energieversorgern als Strompuffer zur Verfügung zu stellen.
Nun sind Elektrofahrzeuge keine Fotovoltaik-Anlagen, für die das EEG eine Einspeisevergütung vorschreibt. Für das bidirektionale Laden fehlt es bislang noch an solchen Regularien und Gesetzen. Neben den Kostenaspekten müssen auch Fragen der Haftung und des Datenschutzes im Zusammenhang mit der Kommunikation zwischen den Fahrzeugen und dem Stromnetz geklärt werden.
Zum anderen müssen die Netzanforderungen angepasst werden, um eine reibungslose Integration von Elektrofahrzeugen in das Stromnetz zu ermöglichen. Der steigende Anteil von Elektrofahrzeugen am Verkehr bedeutet auch einen Anstieg der Stromnachfrage und eine höhere Belastung des Stromnetzes.
Um die Stabilität des Stromnetzes zu gewährleisten, müssen geeignete Maßnahmen wie etwa intelligentes Lastmanagement und Netzsteuerung implementiert werden. Die Einführung von bidirektionalem Laden eröffnet, wie erwähnt, neue Möglichkeiten für den Einsatz von erneuerbaren Energien und die Verbesserung der Energieeffizienz. Ausgeschöpft werden diese Möglichkeiten aber ohne einen entsprechenden regulatorischen Rahmenbau gewiss nicht.
Investorenanreiz und Geschäftsmodelle
Als größte Herausforderung sieht der ADAC das Fehlen von Geschäftsmodellen, die bidirektionales Laden zum Kern haben. So sind die Kosten der für diese Technologie benötigten Wallboxen im Vergleich zu herkömmlichen Modellen vorerst drei- bis viermal höher, einschließlich der Kosten für das Lastmanagement und die Technik im Auto. Die Wirtschaftlichkeit dieser Investitionen hängt davon ab, wie viel Strom in die Batterien der Elektroautos fließt und wieder zurück. Derzeit ist der Bedarf an bidirektionalem Laden im eigenen Haushalt vergleichsweise gering, sodass es Jahre oder sogar Jahrzehnte dauern kann, um diese Investitionen zu amortisieren.
Es könnte jedoch profitabler sein, wenn viele Fahrzeugbesitzer die Batterien ihrer E-Autos den Versorgern zeitweise als Strompuffer zur Verfügung stellen, um das Stromnetz zu stabilisieren. Voraussetzung wäre freilich, dass die Fahrzeugbesitzer davon profitieren, statt, wie in der fiktiven Rechnung, ein Verlustgeschäft zu machen.
Datenkommunikation an der Ladestationen
Technisch machbar ist bidirektionales Laden zweifellos. Grundsätzlich ist die Technologie bereits vorhanden: Eine Voraussetzung ist eine Datenverbindung zwischen Fahrzeug und Steuereinheit in der Wallbox. Der weit verbreitete Typ-2-Stecker bietet jedoch nur eine analoge Datenverbindung zwischen der Steuereinheit in der Ladestation und dem Laderegler. Eine bidirektionale Leistungselektronik im Fahrzeug wäre erforderlich, um Daten vom Fahrzeug zur Steuereinheit zu übertragen. Aufgrund dieser Einschränkungen ist das bidirektionale Laden beim Wechselstromladen derzeit nicht möglich.
Im Gegensatz dazu befindet sich beim Gleichstromladen die Leistungselektronik in der Ladestation. Eine Datenverbindung in beiden Richtungen ist jedoch auch hier notwendig, da die Schutzelektronik im Fahrzeug über das Entladen Bescheid wissen muss. Die CHAdeMO-Steckverbindung bietet eine ausreichende Datenverbindung, während der CCS-Stecker aufgrund der fehlenden Datenkommunikation mit dem Wechselstromstecker Typ 2 nicht ohne Weiteres geeignet ist. In Zukunft wird das CCS-System jedoch in Verbindung mit ISO 15118 die Möglichkeit des Rückspeisens bieten.
Einige Hersteller bieten bereits bidirektionale Ladestationen mit CCS-Steckern an. Diese Stationen nutzen Power-Line-Communication (PLC), bei der ein zusätzliches Datensignal auf dem Laststrom überlagert wird. Dies ermöglicht die Übertragung von Daten vom Fahrzeug zur Ladestation und umgekehrt.
Produktnormen und Protokolle
Das ISO 15118-Protokoll bietet einen Standard für die bidirektionale Kommunikation zwischen Elektrofahrzeugen und Ladestationen und wird von mehreren Herstellern unterstützt. Doch von einer einheitlichen Norm sind wir in Deutschland noch weit entfernt. Der ADAC etwa bemängelt: „Allerdings fehlen auch noch die Produktnormen für eine bidirektional arbeitende Wallbox und die sonstige Infrastruktur, vom Anschluss der Geräte bis zur Absicherung gegen Überspannung.“
Der Bundesverband Neue Energiewirtschaft (bne) stellt in einem Positionspapier vor allem auf die inkonsequenten und teilweise unklaren rechtlichen Rahmenbedingungen ab: “Die BNetzA sollte dafür von der Festlegungskompetenz im § 14a EnWG bzw. § 14c EnWG zur Schaffung standardisierter Marktprodukte für Flexibilitätsdienstleistungen Gebrauch machen.” Wer den Energieversorgern die Ladung im Stromspeicher seines Fahrzeugs zur Verfügung stellt, um damit Lastspitzen abzufedern, erbringt ja in der Tat eine „Flexibilitätsdienstleistung“, für die eine angemessene Vergütung am Markt auszuhandeln wäre.
Es hängt an den Stromspeicherlösungen
Elektrofahrzeuge im Stromnetz können eine große Herausforderung darstellen, aber durch smarte Technologien wie bidirektionales Laden und Smart Grids können diese Herausforderungen bewältigt werden. V2H und V2G sind wichtige Konzepte bei der bidirektionalen Ladetechnologie und bieten die Möglichkeit, Elektrofahrzeuge als mobile Stromspeicher zu nutzen, um bei Bedarf Strom ins Haus oder ins Netz zurückzuspeisen.
Trotz der vielen Herausforderungen und regulatorischen Rahmenbedingungen, bieten V2H und V2G eine Chance zur besseren Integration von erneuerbaren Energien, zur Steigerung der Effizienz des Stromnetzes und zur Reduktion von CO₂-Emissionen. Daneben sind allerdings rasche technologische Fortschritte auf dem Gebiet der stationären Stromspeicher unabdingbar.
Dirk Bongardt hat vor Beginn seiner journalistischen Laufbahn zehn Jahre Erfahrung in verschiedenen Funktionen in Vertriebsabteilungen industrieller und mittelständischer Unternehmen gesammelt. Seit 2000 arbeitet er als freier Autor. Sein thematischer Schwerpunkt liegt auf praxisnahen Informationen rund um Gegenwarts- und Zukunftstechnologien, vorwiegend in den Bereichen Mobile und IT.
Dirk Bongardt, Tel.: 05262-6400216, mail@dirk-bongardt.de, netknowhow.de
