Vehicle to Grid: Elektroauto als Stromlieferant

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Die Skepsis gegenüber Vehicle-to-Grid-Konzepten ist hoch. Ansätze zur Verlängerung der E-Akkulebensdauer, Snack Charging per Induktion, neue Industriestandards und erste bidirektionale Ladesäulen in Europa lassen die Vision nun aber etwas näher rücken.

Im Jahr 2040 soll es weltweit 559 Millionen Elektrofahrzeuge geben, prognostizieren die Analysten von Bloomberg New Energy Finance. Ein Drittel aller Fahrzeuge weltweit wäre dann elektrifiziert. Ihrem Namen zum Trotz bewegen sich Automobile jedoch etwa 95 Prozent ihrer Gesamtnutzungsdauer nicht. Sie parken. Elektro- und Hybridautos könnten die Standzeit sinnvoll nutzen und zur Stabilisierung regenerativ betriebener Stromnetze beitragen. In Zeiten schwacher Nachfrage kostengünstig aufgeladen, könnten die Akkus die gespeicherte Energie zu Spitzenlastzeiten in das Stromnetz zurückspeisen. Vehicle-to-Grid – kurz V2G – nennt sich das Prinzip.

Intelligente Sektorenkopplung

Der wachsende Anteil erneuerbarer Energien am Energiemix stellt die Betreiber von Stromnetzen schon jetzt vor Herausforderungen. Während konventionelle Energiequellen noch einigermaßen planbar Strom liefern, lässt sich das Wetter nicht kontrollieren. Die Sonne scheint, wann sie will. Die Speicherung und Rückspeisung des Stroms in das Netz sind teils mit hohen Kosten verbunden. Obendrein ist die Zwischenspeicherung mit Verlusten verbunden. Die wachsende Anzahl an Elektroautos wird die Netze in Zukunft zusätzlich belasten – durch massenhaftes simultanes Laden von Akkus: Was wird passieren, wenn alle um 18 Uhr nach Hause kommen und ihre Fahrzeuge an die Ladestation hängen?

Mehrere Millionen Elektrofahrzeuge könnten aber auch helfen, Probleme zu lösen. Mit den Batterien von E-Fahrzeugen lassen sich nicht nur Verbrauchsschwankungen, sondern auch die stark fluktuierende Einspeisung von Solar- oder Windenergie ausgleichen. Wenn es zu viel Strom gibt, wird die Batterie aufgeladen. Fehlt Strom im Netz, wird er zugeführt. Klingt nach einer guten Idee. Doch hat Vehicle-to-Grid wirklich das Zeug zum Games Changer?

Längere Akku-Lebensdauer durch Vehicle-to-Grid?

Die Skepsis gegenüber dem V2G-Model ist hoch. So gibt es Bedenken, dass die Rohstoffgewinnung und Produktion von Akkus einen hohen CO2-Ausstoß verursachen könnte, der die positiven Umwelteffekte nivelliert. Außerdem sind die Batteren von E-Fahrzeugen nicht für den Einsatz als aktive Teilnehmer in einem Stromnetz ausgelegt. Die intensive Nutzung des Akkus in V2G-Szenarien, so die Befürchtung, würde frühzeitigen Batterieverschleiß und damit erhebliche Kosten verursachen. Obendrein riskiert man die Herstellergarantie. Nach gängiger Expertenmeinung verringert sich die Kapazität und Lebensdauer typischer Lithium-Ionen-Akkus mit steigender Anzahl von Ladezyklen.

Stimmt nicht, sagen nun Wissenschaftler der University of Warwick. Die Lebensdauer von E-Fahrzeug-Batterien könne sich sogar um zehn Prozent verlängern, wenn sie als aktive Energiespeicher in ein Stromnetz eingebunden werden. Voraussetzung sei eine intelligente Steuerung der Lade- und Entladezyklen. Zu diesem überraschenden Ergebnis kamen die Forscher im Rahmen einer Studie zur Nutzung von Elektroauto-Akkus für die Stromversorgung von Gebäuden. Es handelte es sich allerdings um eine theoretische Simulation unter Idealbedingungen. Ob und inwieweit sich die Ergebnisse auf die Praxis übertragen lassen, ist noch zu prüfen.

Kampf der Schnitstellen: CHAdeMO versus CCS

Koppelungseffekte im öffentliche Stromnetz können erst ab einer kritischen Masse eintreten: Um Vehicle-to-Grid effizient anzuwenden, ist eine hohe Anzahl von E-Fahrzeugen und öffentlicher oder privater Anschlussstellen nötig. Derzeit sind aber erst wenige E-Autos ab Werk fit für V2G. Strom zu laden und abzugeben ist nur mit der in Japan entwickelten Schnittstelle CHAdeMO ab Standard 1.0 möglich. Zu den Fahrzeugen, die damit ausgestatte sind, gehören der Mitsubishi i-MiEV und seine Ableger Citroën C-Zero und Peugeot iOn, der Mitsubishi Plug-In Hybrid Outlander sowie die Nissan-Modelle Leaf und e-NV200. Bidirektionale Ladestationen, bei denen ein Hausbesitzer mit Photovoltaikanlage den Akku seines Elektroautos als als Stromquelle und Pufferspeicher nutzen kann, wurden beispielsweise von Mitsubishi und Nissan realisiert.

Auf das konkurrierende Ladesystem CCS (Combined Charging System) setzen europäische und US-amerikanische Hersteller wie BMW, Daimler, Ford und VW mit seinen Marken Audi und Porsche. In Sachen Bidirektionalität steckt dieses System aber noch in den Kinderschuhen.

Nissan: bidirektionales Laden europaweit

Etliche Projekte von wissenschaftlichen Einrichtungen, Stromnetzbetreibern und Fahrzeugherstellern wie Mitsubishi, Nissan, Toyota und Honda erforschen die technischen und wirtschaftlichen Perspektiven von Vehicle-to-Grid. Auch über Monetarisierungsmodelle für E-Autobesitzer wird nachgedacht.

Der erste Fahrzeughersteller, der bidirektionales Laden in mehreren europäischen Ländern testet, ist Nissan. Die erste öffentliche Ladestation installierte der japanische Fahrzeughersteller in Kooperation mit Virta und Helen im finnländischen Helsinki. Die Ladestation bezieht Energie aus einem Sonnenkraftwerk. Auch in Großbritannien hat Nissan großflächige V2G-Feldversuche gestartet. Dass sich V2G für die Betreiber von Fahrzeugflottenbetreiber finanziell lohnen könnten, zeigten Nissan und Energieversorger Enel in Dänemark. In Kopenhagen ging die weltweit erste gewerbliche V2G-Anlage ans Netz: Energieversorger Frederiksberg Forsyning schaffte zehn Elektrotransporter Nissan e-NV200 an und stellte zehn Zweiwege-Ladesäulen von Enel auf. Innerhalb eines Jahres verdiente Forsyning mit der Bereitstellung von Regelenergie immerhin 1.300 Euro. Ansonsten lassen sich V2G-Konzepte jedoch bislang noch kaum gewinnbringend nutzen.

Honda: Zweiwege-Ladesäule in Offenbach

Zu den Unternehmen, die auf bidirektionale Techniken setzen, gehört auch Honda. Der japanische Fahrzeughersteller hat in Offenbach, dem Standort seines europäischen Forschungs- und Entwicklungszentrums, in Zusammenarbeit mit The Mobility House und Evtec eine bidirektionale Ladesäule installiert. Akkus von Elektroautos lädt sie mit Strom aus dem Netz oder Energie von Solarzellen. Die Ladestation liefert 150 kW und lädt simultan bis zu vier Fahrzeuge mit verschiedenen Steckertypen. Anders als bei herkömmlichen Ladestationen können Autos gespeicherte Energie auch an das Netz zurückgeben. Getestet werden Wechselwirkungen, Kompatibilität und der Energiefluss zwischen den Komponenten.

Snack Charging: Laden per Induktion

Die Energiedichte von Akkus ist deutlich geringer als die von Benzin. Ist es für Elektroautos also überhaupt sinnvoll, permanent einen großen Energievorrat mitzutransportieren wie Benziner es tun? Nicht notwenigerweise. Einige Fahrzeughersteller wie BMW, Mercedes und Audi sowie Zulieferer beschäftigen sich intensiv mit dem kontaktlosen Laden per Magnetfeld nach dem Induktionsprinzip.

Mit hochfrequenten Wechselströmen läst sich Energie drahtlos aus dem Stromnetz über eine Grundplatte, die zum Beispiel in der Garage oder auf dem Parkplatz des Arbeitgebers montiert ist, in die Hochvoltbatterie des darüber platzierten Fahrzeugs übertragen. Außer die richtige Parkposition anzusteuern, braucht der Fahrer nichts zu tun. Zwischendurch werden sich E-Autos in Zukunft vielleicht auch bei Zwischenstopps– etwa auf dem Supermarktparkplatz – kleine Stromrationen abholen. Statt große Strommahlzeiten zu vertilgen, würde der Akku dann kontinuierlich kleine Imbisse zu sich nehmen. „Snack Charging“ nennt sich das Prinzip. Möglich wären auch Induktionsschleifen in den Straßen – die Infrastrukturkosten wären allerdings enorm. Induktionsladen wird das Stromkabel nicht von heute auf morgen ersetzen. Der Elektromobilität und dem bidirektionalen Laden könnte es aber das Tor zum Volumenmarkt öffnen. Der erste Fahrzeughersteller, der ein integriertes induktives Ladesystem ab Werk anbietet, ist BMW und zwar für seinen Plug-in-Hybriden 530e iPerformance – der allerdings nicht V2G-fähig ist.

Damit sich V2G international etablieren kann, müssen die Ladesysteme zudem den neuen SAE-Standard J2954 unterstützen, der herstellerunabhängig Interoperabilität, elektromagnetische Kompatibilität und Sicherheit zwischen Elektrofahrzeugen und kontaktlosen Ladestationen gewährleistet.

Das zweite Leben der Autobatterie

Auch im Heimspeichergeschäft wollen Autohersteller Fuß fassen: Ausgediente Batterien von Elektrofahrzeugen – vorrangig aus dem Nissan Leaf – kommen im Stromspeicher xStorage von Nissan und Eaton zum Einsatz. Die wiederaufbereiteten Zellen erhalten so ein zweites Leben. Das autarke System ist in einer 4,2 kWh-, einer 6 kWh- und einer 9,6 kWh-Variante zum Preis ab rund 4.200 Euro erhältlich. Der Speicher lässt sich aufladen, wenn erneuerbare Energien verfügbar oder die Stromkosten günstig sind. Überschüssige Energie kann der Nutzer in das Netz einspeisen und verkaufen.

electronica 2018: intelligenter Strom

Smart Grid, Energiespeicherung und erneuerbare Energien sind Fokusthemen des electronica Power Electronics Forums. Auf der electronica präsentieren Aussteller aus aller Welt innovative Lösungen aus den Bereichen Akkumulatoren, Batterien, Elektromobilität, Smart Grids, Smart Energy und Energie-Management.

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