Integration von Elektromobilität in ein nachhaltiges Energieversorgungssystem

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Mit dem angestrebten Ausbau der Ladeinfrastruktur steigt auch die Ladeleistung, die das elektri­sche Versorgungssystem bereitstellen muss. Mithilfe von Gleichstromtechnologie können Elektro­fahrzeuge in das bestehende Versorgungssystem integriert werden. Wie die Integration betriebs- und kosteneffizient erfolgen kann, lesen Sie in diesem Fachbeitrag der RWTH Aachen University.

Dieser Beitrag ist zuerst in eMobilJournal 03/2018 erschienen.

1. 1. Ausgangslage

Getrieben durch das Bestreben nach saube­rer Luft in den Städten, niedrigen Lärmpegeln und geringem Verbrauch von fossilen Energie­trägern, geht der Entwicklungstrend heute hin zu elektrisch betriebenen Fahrzeugen. Dieser Trend ist nicht nur in Deutschland, sondern weltweit zu beobachten. In Norwegen lag beispielsweise 2017 der Anteil neu zugelassener Elektrofahr­zeuge bei rund der Hälfte aller neu zugelassenen Fahrzeuge. In der Stadt Amsterdam versucht die lokale Regierung öffentliche Verkehrsmittel bis 2026 vollständig zu elektrifizieren.

Ähnliche Bestrebungen gibt es in Hamburg: Dort sollen ab 2020 nur noch emissionsfreie Busse beschafft werden. Zwar ist das Ziel der Bundesregierung, bis 2020 eine Million Elektro­fahrzeuge auf deutschen Straßen zu haben, derzeitig eher unrealistisch, jedoch hält die Bundesregierung an diesem Ziel fest. Im Jahr 2017 konnte zudem ein deutlicher Anstieg der Zulassungszahlen verzeichnet werden. Im Ver­gleich zum Vorjahr hat sich der Marktanteil von 0,8 auf rund 1,6 % verdoppelt.

Parallel zur steigenden Anzahl von Elektro­fahrzeugen steigt auch der Bedarf an Ladein­frastruktur. Um den Bedarf zu decken, hat sich die deutsche Regierung zum Ziel gesetzt, ca. 15.000 öffentliche Ladestationen durch ein För­derprogramm zu schaffen [1]. Derzeit gibt es in Deutschland rund 10.700 öffentlich ­zugängliche Ladepunkte, davon sind 530 Schnelllad­esäulen. Die Nationale Plattform Elektro­mobilität geht zudem von einem Bedarf von rund 70.000 öffentlichen Ladenpunkten und rund 7.100 Schnellladesäulen im Jahr 2020 aus.

Mit der steigenden Zahl der Ladestationen steigt auch die insgesamt benötigte Ladeleis­tung, welche vom elektrischen Versorgungs­system zur Verfügung gestellt werden muss.

2. 2. Ladeleistung und Ladestelle

Die in naher Zukunft benötigte zusätzliche Ladeleistung ist nicht nur von der verbauten Batteriekapazität, sondern auch von der akzep­tierten Dauer eines Ladevorgangs abhängig. Die Akzeptanz der Ladedauer wird dabei vor allem durch die Bedürfnisse der Endnutzer be­stimmt. So sind die meisten Nutzer vermutlich mit einer langsamen Ladung am Arbeitsplatz oder zu Hause über Nacht zufrieden, während an Autobahnen oder Supermarktparkplätzen höhere Ladeleistungen nachgefragt werden. Auf Supermarktparkplätzen beispielsweise ist mit einer Verweildauer von 30 – 40 Minuten zu rechnen, während hingegen an Autobahnrast­stätten eine deutlich kürzere Ladezeit von den Endnutzern gefordert wird.

Basierend auf einer Studie des ING Economics Department [2] akzeptiert die Mehrheit der Nut­zer von Elektrofahrzeugen eine Ladedauer von 15 Minuten oder weniger. Um die maximal akzep­tierte Ladedauer zu erfüllen, werden in Abhän­gigkeit von der Batterie Ladeleistungen, wie in Bild 1 dargestellt, benötigt. Diese ­Ladeleistungen lassen sich anhand des Entwicklungstrends der Batteriekapazität für die nächste Dekade aus Sicht der Autohersteller [3] ableiten.

 

Benötige Ladeleistung Bild 1

Bild 1: Entwicklungstrend der Ladeleistung abgeleitet von der Entwicklung der Batteriekapazität [3].

Unter Betrachtung der Entwicklung von Batteriekapazitäten in der Kompakt- und Standardklasse benötigen künftige Elektrofahr­zeuge eine Ladeleistung von bis zu 200 kW, um die akzeptierte Ladedauer zu erfüllen. Erst bei Fahrzeugen der Premiumklasse wer­den Ladeleistungen oberhalb von 200 kW notwendig. Bereits heute werden Schnell­ladestationen, mit einer Ladeleistung von 350 kW für Fahrzeuge der Premiumklasse ge­baut. Mit zukünftigen Fahrzeugen, die ein 800-Volt-Batteriesystem nutzen, lassen sich dann die Anforderungen an die Ladedauer erfüllen. Betrachtet man allerdings die vorge­lagerte Versorgung von Schnellladestationen, wird erkennbar, dass heutige Verteilnetze die benötigte Ladeleistung für das Schnellladen nicht zur Verfügung stellen können, ohne die vorhandenen Komponenten zu überlasten.

Für Schnellladestationen werden Autobah­nen, Schnellstraßen und Hauptkreuzungspunkte als geeignete Installationsstellen identifiziert. Da die Reichweite der Batterie für eine gesamte Fahrstrecke nicht ausreichend ist, sind diese Orte entlang von Transitstrecken prädestiniert zur Schnellladung. Darüber hinaus bieten sich weitere Punkte in der urbanen Umgebung, wie beispielsweise Supermärkte oder Kinos, als ge­eignete Stellen für Schnellladestationen an. In der urbanen Umgebung ist die Installation von Schnellladestationen aus Nutzersicht sinn­voll, da so parallel Aktivitäten ermöglicht wer­den, welche eine ähnliche Dauer haben (zum Beispiel Einkaufen und Laden). Dadurch wird der Ladevorgang nicht als Verlust an Reise­zeit betrachtet. Des Weiteren ergeben sich so ­neuartige Geschäftsmodelle für die Betreiber von Einrichtungen im öffentlichen Raum.

3. 3. Leistungselektronik im modernen Bordnetzsystem

Das moderne elektrische Bordnetzsystem setzt sich aus einer Vielzahl an Komponenten zu­sammen, welche miteinander interagieren und aufeinander abgestimmt werden müssen. Bild 2 zeigt ein beispielhaftes Bordnetz mit den einzelnen Komponenten der elektrischen Bord­netzstruktur. Generell können ­verschiedene Spannungsebenen unterschieden werden.

Struktur Bordnetz Elektroauto Bild 2

Bild 2: Struktur eines modernen Bordnetzsystems für Elektrofahrzeuge.

Beim Einsatz mehrerer unabhängiger Batte­riepacks bietet sich die Anbindung mittels in­dividuellen DC-DC-Wandlern an den internen Spannungszwischenkreis an, welcher die An­triebsumrichter und somit die Antriebsmaschi­nen speist. Mit der steigenden Marktreife und der Verbreitung moderner Wide-­Bandgap-Halbleiterbauelemente ergeben sich neue ­Potenziale bezüglich Effizienz, ­Leistungsdichte und leistungsbezogener Systemkosten. Für das Aufladen mit niedriger Leistung, beispiels­weise über Nacht oder am Arbeitsplatz, bieten sich kompakte und effiziente in das Fahrzeug integrierte Ladegeräte an.

Bereits heute erreicht man mit herkömm­lichen Siliziumkarbid-Halbleitern eine Leis­tungsdichte von 20 kW/kg und 30 kW/l. Unter Verwendung von Wide-Bandgap-­Bauelementen hingegen (wie z.B. Gallium-­Nitrit) lässt sich das gravimetrische sowie ­volumetrische Leistungsgewicht noch deutlich senken. Daher stellen diese On-Board-Lade­geräte eine integrierte und flexible Lösung dar. Dabei wird keine umfassende Kommunikation mit der Ladeinfrastruktur benötigt, was die Ein­satzmöglichkeiten besonders vielseitig macht.

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