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.

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.

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.

4. 4. Hybrider Ansatz zur Integration der Elektromobilität in die urbane Umgebung

Die Verteilnetze in der urbanen Umgebung sind typischerweise, wie in Bild 3 dargestellt, radial konstruiert. In dieser Struktur versorgt ein Transformator im Umspannwerk mehrere Ortsnetztransformatoren, welche die ange­schlossenen Kunden auf Niederspannungs­ebene versorgen. Um eine gewisse Redundanz zu erzielen, werden die Netzkomponenten ty­pischerweise massiv überdimensioniert, sodass die Verbraucher im Fall eines Komponenten­ausfalls weiter versorgt werden können.

Dieses Szenario ist in Bild 3 illustriert: Durch den Ausfall eines Transformators im Umspann­werk müssen die betroffenen Verbraucher durch den benachbarten Transformator über einen Transferschalter versorgt werden. Die ­Bemessungsleistung des Transformators muss daher so groß gewählt werden, um im Fehler­fall die Leistung des ausgefallenen Transforma­tors übernehmen zu können.

Bild 3: Radiale Struktur der bestehenden Verteilnetze.

Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass das Mittelspannungsnetz im normalen Betrieb noch ausreichend Kapazität für das Laden von Elektroautos zur Verfügung stellt. Während hingegen die Verteilnetztransformatoren im Niederspannungsnetz über eine geringe Leis­tungsreserve verfügen. Eine Studie in [4] hat zudem gezeigt, dass die Leistungsreserve im heute typischen Ortsnetztransformator nicht ausreichend ist, um das Schnellladen eines Elektroautos mit 20 kWh-Batterie innerhalb von fünf Minuten zu ermöglichen. Die Bünde­lung der Kapazitäten von mehreren Transfor­matoren sowohl auf Mittelspannungsebene als auch auf Niederspannungsebene ist ein Lösungsansatz, um die hohe Spitzenleistung für das Schnellladen abzudecken. Im Wechsel­stromsystem ist diese Option allerdings nicht ohne Weiteres realisierbar, da heutige Trans­formatoren im Allgemeinen nicht regelbar sind. Die Folge ist eine unkontrollierbare Leistungsaufteilung.

Alternativ kann bei einer drohenden dauer­haften Transformatorüberlastung ein zusätz­licher Transformator im Parallelbetrieb ­installiert werden, wenn das übergeordnete Netz die zusätzliche Belastung tragen kann. Die Leistungsaufteilung zwischen den paral­lelen Transformatoren ist in der Regel jedoch nicht gleichmäßig, da diese durch die Transfor­matorparameter allein bestimmt wird. Zudem können Kreisströme auftreten, die die Trans­formatoren zusätzlich belasten.

Mittels Gleichstromtechnologie mit inhä­renter Leistungsflussregelung, lässt sich die Kopplung von Transformatoren intelligent reali­sieren. In Bild 4 ist dieses Bündelungskon­zept über ein Mittelspannungsgleichstromnetz (MVDC) dargestellt. Mittels der eingesetzten leistungselektronischen Systeme ist es möglich, den Leistungsfluss über die MVDC-Verbindung aktiv zu regeln und somit die Leistungsauftei­lung zwischen den Transformatoren abhängig vom Systemzustand zu optimieren. Gleichzeitig bieten die AC-DC-Wandler netzdienliche Funk­tionalitäten wie beispielsweise Spannungsstüt­zung durch Blindleistungskompensation und aktive Oberwellenkompensation an, um die Netzstabilität der bestehenden Wechselstrom­systeme zu gewährleisten.

Bild 4: Bündelung von Transformatoren mittels Gleichstromverbindung

Derzeitig gibt es noch keine standardisierte Spannung für Mittelspannungsgleichstromnet­ze. Mit den im Markt vorhandenen leistungs­elektronischen Umrichtersystemen können entweder 5 kV, ±5 kV, 10 kV oder ±10 kV-Gleich­stromnetze realisiert werden. Dabei erweisen sich die Ansätze mit bipolaren Spannungen als sehr vielversprechend aufgrund des geringeren Isolationsaufwands gegenüber Erdpotenzial. Weitere Vorteile bietet das vorgestellte Kon­zept im Hinblick auf die effiziente Anbindung von erneuerbaren Energiequellen, wie Photo­voltaikanlagen und Windparks, sowie von ­Batteriespeichersystemen zur Verringerung der Lastspitzen.

Photovoltaikanlagen und Windenergie­anlagen arbeiten intern mit Gleichstrom­systemen, bevor nach heutigem Stand der Technik auf Wechselstrom mit einer festen Netzfrequenz umgewandelt wird. Dieser Um­wandlungsprozess ist verlustbehaftet und nicht kosteneffizient. Die Integration von erneuerbaren Energien in das Mittelspan­nungsgleichstromnetz mittels hocheffizienter DC-DC-Wandler bietet die Möglichkeit In­vestitions- und Betriebskosten des gesamten Systems zu verringern. Zusätzlich kann eine Schnellladeinfrastruktur, die ebenfalls auf Gleichstromtechnologie aufbaut, gegenüber einem Wechselstromnetz leichter, effizienter und kostengünstiger in ein Mittelspannungs­gleichstromnetz integriert werden.

5. 5. Intelligenter DC-DC-Wandler für Gleichstromnetze

Zur Integration der Schnellladeinfrastruktur in Mittelspannungsgleichstromnetze stellen effizi­ente DC-DC-Wandler eine Schlüsselkomponente zur Kopplung von Gleichstromsystemen unter­schiedlicher Spannungsebenen dar. Für diese Anwendung ist die sogenannte dreiphasige Dual-Active-Bridge (DAB)-Topologie geeignet. Der DC-DC-Wandler besteht aus zwei Umrich­tern, die durch einen Mittelfrequenz-Transfor­mator verbunden sind. Der Transformator dient zusätzlich zur Kopplung der unterschiedlichen Spannungsniveaus. Zusätzlich zu einer flexiblen und dynamischen Regelbarkeit des Wandlers er­reicht diese Topologie durch den Transformator die notwendige galvanische Trennung zwischen den Ein- und Ausgängen. Dadurch ist eine inhä­rente Trennung zwischen Mittelspannungs- und Niederspannungsseite sichergestellt.

Im Vergleich zu den klassischen Transfor­matoren in 50 Hz-Wechselstromnetzen wird der Transformator im DAB-DC-DC-Wandler mit deutlich höheren Frequenzen betrie­ben. Dadurch lässt sich der Transformator kompakter und leichter konstruieren, was zu einer deutlichen Materialersparnis führt und damit die Kosten für den Transformator massiv senkt. Eine Reduktion mit dem Faktor 10 in Volumen und Gewicht ist von einem 1 kHz-Transformator gegenüber einem klassi­schen 50 Hz-Transformator zu erwarten. Am Institute for Power Generation and Storage Systems des E.ON Energy Research Centers der RWTH Aachen University existiert bereits ein Demonstrator eines 5 kV-DAB-DC-DC-Wandlers mit einer Nennleistung von 5 MW unter Einsatz drei einphasiger 1 kHz-Transfor­matoren (siehe Bild 5). Einer dieser einphasi­gen 2.2 MVA 1 kHz-Transformatoren hat ein Gewicht von etwa 400 Kilogramm bei einem ­Volumen von lediglich 220 Litern. Dies ist deut­lich kompakter und leichter im Vergleich zu einem 50 Hz-Transformator gleicher Leistung.

Bild 5: 5 MW-DC-DC-Wandler mit Mittelfrequenztransformatoren.

Ein weiterer Vorteil dieser Topologie ist der hohe Wirkungsgrad. Die weichschaltende Charakteristik des Wandlers ermöglicht einen Wirkungsgrad von etwa 99 %. Durch signifikante Senkung von Schaltverlusten ist der Einsatz von Luftkühlung für die Leistungshalbleiter denk­bar, sodass der Systemaufbau einfacher ist und der Wartungsaufwand minimiert wird.

6. 6. Gleichstrom in kommerziellen Gebäuden und Fabriken

Der Einsatz von Niederspannungsgleichstrom­systemen in zukünftigen Gebäuden und ­Fabriken ermöglicht eine einfache und effiziente Inte­gration von Anlagen in die elektrische Infra­struktur. In Zukunft wird beispielsweise eine PV-Anlage mit einem angebundenen Batterie­speicher, beides auf DC-Technologie basierend, die lokale Energieversorgung bewerkstelligen. Des Weiteren arbeitet eine Vielzahl von im Ge­bäude vorhandenen Systemen, wie moderne LED-Beleuchtung, Aufzugsantriebe sowie IT-­Systeme wie PCs oder Rechenzentren, intern mit Gleichspannung. Diese Komponenten spie­len im Energieverbrauch des Gebäudes eine sig­nifikante Rolle. Daraus ergibt sich beim Einsatz von Niederspannungsgleichstromversorgung eine positive Auswirkung in Bezug auf Effizienz und Betrieb im Vergleich zu State-of-the-Art­Niederspannungswechselstromversorgung.

Um eine umweltfreundliche Mobilität zu unterstützen, lassen sich, wie Bild 6 zeigt, ­Ladesysteme für Elektrofahrzeuge effizient in die Gleichstromversorgungsinfrastruktur von Gebäuden integrieren. Die Integration von Fahrzeugen in die Gleichstromgebäudeversor­gung durch den Einsatz bidirektionaler Lade­geräte erlaubt eine mehrfache Nutzung der Batteriekapazität der angebundenen Fahrzeu­ge. Neben der Bereitstellung von Ladeleistung können die angebundenen Elektrofahrzeuge genutzt werden, um lokale Überproduktion von beispielsweise PV-Strom zu speichern und bei Gelegenheit wieder zurückzuspeisen. Dar­über hinaus ist auch der Einsatz als unterbre­chungsfreie Stromversorgung denkbar, bei­spielsweise bei Ausfall der Netzversorgung.

Bild 6: Gleichstrom im kommerziellen Gebäude.

7. 7. Fazit

DC-Technologie kann der Schlüssel zur Integra­tion von Lade- und vor allem Schnellladeinfra­struktur in unser bestehendes Energienetz sein. Unter Aufbau einer DC-Co-Infrastruktur lassen sich bestehende Systeme optimieren und vor­handene Potenziale effizienter nutzen, ohne bestehende konventionelle Systeme gänzlich zu ersetzen. Die intelligenten DC-Komponen­ten sind in der Lage Leistungsflüsse aktiv und somit immer optimal zu steuern. Perspektivisch lassen sich die Energiesysteme damit stabiler und effizienter betreiben. Zudem lassen sich die modernen Gebäude und Fabriken der Zukunft ­ebenfalls mit DC-Technologie ausstatten und so­mit kostengünstiger und effizienter betreiben.

Eine Kopplung von regenerativen Erzeu­gungsanlagen wie PV und Wind zusammen mit Batteriepufferspeichern hebt das ­Potenzial der Nutzung regenerativer Energien zudem deutlich an. Neben der Infrastruktur und Groß­systemen lassen sich zudem, durch die Verwen­dung von neuartigen Halbleiter­materialien wie Siliziumkarbid und Gallium-Nitrit, deut­liche Verbesserungen in Effizienz, Gewicht und Bau­volumen von Wandlern für ­Elektrofahrzeuge erreichen.

Literatur

• Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur, Deutschland: „Bekanntmachung: Förderrichtlinie Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge in Deutschland“, 2017.
• ING Economics Department: „Breakthrough of Electric Vehicle Threatens European Car Industry“, Juli 2017.
• J.B. Moreau: „The EV Charging Market: Present and Future Outlook“. In: Präsentation in Automotive Power Electronics Conference (APE), Paris, Frankreich, April 2017.
• Marco Stieneker, Benedict J. Mortimer, Arne Hinz, Adolf Müller-Hellmann und Rik W. De Doncker: „MVDC Distribution Grids for Electric Vehicle Fast-Charging Infrastructure“, 2018 (akzeptiert für Publikation).