Fahrzeugbatterien: Eine "wachsende" Herausforderung

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4. Herausforderungen in Bezug auf die Netzintegration

Größere Fahrzeugbatterien bringen nicht nur im Fahrzeug selbst Herausforderungen mit sich, sondern auch in Bezug auf die Netzinte­gration. Genauer gesagt auf die benötigten ­Ladeleistungen, wenn diese großen Fahrzeug­batterien in kurzer und mittlerweile in kürzes­ter Zeit nachgeladen werden sollen. Tabelle 1 gibt einen Überblick zu den aktuellen und zu­künftigen Ladeleistungen:

Tabelle 1

Studien zeigen, dass ein Großteil der aktuell genutzten Elektrofahrzeuge zu Hause geladen werden [7]. Betrachtet man die typischen Fahrpro­file – 80 % der Fahrzeuge in Deutschland legen im Alltag weniger als 50 km an einem Tag zurück [8] – so erscheint es völlig ausreichend, dass nur die gefahrenen Kilometer zu Hause nachgeladen werden müssen, in der Regel also über die Nacht verteilt einige Kilowattstunden. Mit einem höhe­ren Durchdringungsgrad an Elektrofahrzeugen wird sich dies jedoch ändern. Es müssen zum einen Lademöglichkeiten auch in Mehrfamilienhäusern geschaffen werden, dies bedeutet genügend An­schlusspunkte in den Tiefgaragen. Um leistungs­seitig nicht an Grenzen zu stoßen, ist hierfür ein intelligentes Lademanagement – integriert in das Gebäude-Energiemanagement – sowie gegebe­nenfalls ein stationärer Pufferspeicher notwendig.

Mit der weiteren Durchdringung an Elektro­fahrzeugen werden jedoch auch Schnelllade­möglichkeiten – beispielsweise an Autobahn­raststätten, wie sie schon seit einiger Zeit von Tesla betrieben werden – notwendig. Solche ­Ladepunkte sind ferner auch im Bundes- und Landesstraßennetz sowie auch in ­Stadtquartieren denkbar, um schnelles Nachladen von großen Fahrzeugbatterien zu ermöglichen. Denkbar sind hierbei Schnellladestationen mit Anbindung an Quartiersspeicher. Damit sind stationäre Bat­terien gemeint, die für lokale Energiemanage­mentaufgaben beispielsweise in Stadtquartieren aufgebaut werden, sobald die regulatorischen Rahmenbedingungen dies erlauben.

Die Nachladung an solchen Ladepunkten wird allerdings nur eine hohe Akzeptanz erfahren, wenn die Ladezeiten entsprechend kurz sind. Mit dem Anstieg der Batteriekapazitäten der Elektro­fahrzeuge werden damit auch höhere Ladeleis­tungen erforderlich. So plant beispielsweise die Firma Porsche Schnellladestationen mit 350 kW (siehe Tabelle 1). Typische Verteilnetz-Transforma­toren besitzen allerdings meist nur eine Leistung von 630 kVA. Ohne entsprechende Investitionen in die Netzinfrastruktur wird eine entsprechende Versorgung mit derartigen Ladestationen folglich nicht möglich sein. Eine zentrale Fragestellung ist hierbei die Abwägung zwischen „mehr Kupfer“ versus „Elektrochemie in Kombination mit intelli­gentem Energiemanagement“.

5. Induktive Ladekonzepte

Können auf einfache Art und Weise an verschie­denen Stellen „gefahrene Kilometer nachgeladen“ werden – auch Opportunity charging genannt – so können unter gewissen Voraus­setzungen Über­dimensionierungen von Batteriekapazitäten ver­mieden werden. Das induktive ­Laden ermöglicht solche Konzepte, da ohne Kabel und Stecker – also ohne manuelle Eingriffe – ein Aufladen auch für kurze Zeiträume umsetzbar ist.

Generell wird in drei Klassen von induktiven Ladesystemen unterschieden [9]:

1.Stationäres induktives Laden: Das Elektro­fahrzeug steht während des Ladevorgangs, beispielsweise auf öffentlichen Parkplätzen (Supermarkt, Bahnhof, Kino, etc.)

2.Semi-dynamisches Laden: Die Batterie des Elektrofahrzeugs wird an bestimmten Punkten beziehungsweise Bereichen aufgeladen, bei­spielsweise vor stark frequentierten Ampeln.

3.Dynamisches Laden: Die Batterie des Elektro­fahrzeugs wird während der Fahrt nachge­laden, beispielsweise an stark ­frequentierten Innenstadtringen oder an ­ausgewählten stark frequentierten Straßen­abschnitten ­außerhalb der Städte.

Gibt es also an verschiedenen Punkten eines typi­schen Fahrbetriebes immer wieder die Möglich­keit, leicht gefahrene Kilometer nachzuladen, so können die erforderliche Reichweite und damit die Batteriekapazität reduziert werden – so die These! Denn für den Großteil der Fahrten reicht eine kleinere Batteriekapazität völlig aus, eine zu große Batterie bedeutet also die unnötige Bewe­gung von viel Masse, was sich letztlich für diese Fahrten negativ auf die Effizienz auswirkt.

6. Fazit

Fortschritte in den Lithium-Ionen-Batterietechno­logien, sowohl auf Zell- wie auch auf Systemebene, ermöglichen immer größere Batteriekapazitäten in den Elektrofahrzeugen, verbunden mit immer größeren Reichweiten. So wird beispielsweise die untere Fahrzeugklasse, bisher mit Batterien um die 20 kWh erhältlich, mittlerweile mit Batterien um die 60 kWh ausgestattet. Im Premiumsegment hingegen geht der Trend bis zu 120 kWh. Sollen diese großen Batteriesysteme dennoch in über­schaubarer Zeit wieder vollgeladen werden, sind auch größere Ladeleistungen erforderlich.

Grö­ßere Batteriesysteme und Schnellladestationen mit Leistungen bis zu 350 kW, wie sie sich aktuell in der Entwicklung befinden, bringen aber auch große Herausforderungen mit sich, sowohl im Fahrzeug als auch im Stromnetz. Die zugehörigen Aufgaben sind zwar lösbar, es stellt sich aber die Frage, ob der entsprechende Aufwand und die damit verbundenen hohen Investitionen sowie der Ressourcenverbrauch überhaupt gerechtfer­tigt sind, beziehungsweise ob durch Alternativen wie beispielsweise intelligente induktive Lade­systeme zu große Batteriekapazitäten vermieden werden können – zumindest für einen Großteil der Fahrzeugnutzer.

Literatur

[1] SMUD_Charge-Times-Chart-20170706_FINAL-LOW-RES.pdf.

[2] Vetter, M. et al.: Batterien – Von der Zelle zum System und zur Systemintegration. Beiträge zur FVEE-Jahrestagung Forschung für die Energiewende – Die Gestaltung des Energiesystems, Berlin, 2016.

[3] Gentischer, H., et al.: Passivierte Silizium­materialien für Lithium-Ionen-Batteriezellen. Batterieforum Deutschland, Berlin 2017.

[4] Bernardi, D. et al.: A General Energy Balance for Battery Systems. Meeting of the Society, vol. 132, 1985.

[5] Millet, L.: Isothermal calorimeter heat measurements of a 20Ah lithium iron phosphate battery cell. Twelfth International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER), Monte Carlo, 2017. https://ieeexplore.ieee.org/document/7935957

[6] März, M.: Energieumstieg und Elektromobilität – Systeme im Umbruch. Workshop ­Ladelösungen mit Zukunft – Mobilität trifft auf Energie­wirtschaft, Bayern Innovativ, Nürnberg, 2017.

[7] Sole, B: Smart Charging with Energy ­Management Systems – Market place based energy management for PEV grid integration. Kongress Forum Elektromobilität, Berlin, 2017.

[8] Öko-Institut e.V.: Autos unter Strom, Ergebnis­broschüre erstellt im Rahmen des Projekts OPTUM „Umweltentlastungspotentiale von Elektrofahr­zeugen-Integrierte Betrachtung von Fahrzeug­nutzung und Energiewirtschaft“, Berlin, 2011.

[9] Nindl, T.: The future of mobility is connected, wire­less and electric. ees Conference Munich, 2017.

  • Matthias Vetter Fraunhofer

    Autor

    Dr.-Ing. Matthias Vetter

    Abteilungsleiter „Elektrische Energiespeicher“ und Kontaktperson für Batteriesysteme in der ­Fraunhofer Batterie-Allianz; Dozent an der Universität Freiburg zu den Themen „Energiespeicher“ und „Elektromobilität“

     

  • Stephan Lux Fraunhofer

    Autor

    Dipl.-Ing. (FH) Stephan Lux

    Leiter der Gruppe „Batterietechnik“ am Fraunhofer ISE

  • Maximilian Bruch Fraunhofer

    Autor

    M.Sc. Maximilian Bruch

    Projektmanager am Fraunhofer ISE, aktuell verantwortlich für die Entwicklung eines EV‑Batteriesystems im Projekt JOSPEL

     

     

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