Sind die Stromnetze bereit für die Elektromobilität?

Im Zuge der Klimaziele 2030 wurden von der EU Vorgaben für weniger Emissionen gemacht. Für den Verkehrsbereich sind die Ziele der Bundesregierung, dass bis zum Jahr 2030 fünfzehn Millionen Elektrofahrzeuge auf deutschen Straßen fahren werden. Dafür müssen aber auch die Stromnetze weiterentwickelt und ausgebaut werden. Welche Herausforderungen gibt es fürs Stromnetz und wie bereiten sich die Energieversorger darauf vor?

Der größte Verteilnetzbetreiber in Deutschland, die e.on AG hat dafür zusammen mit der Unternehmensberatung Consentec in einer gemeinsamen Studie verschiedene Szenarien durchgespielt. Das Ergebnis: Wenn im Jahr 2030 zehn Millionen Elektroautos unterwegs wären, dann würde im Stromnetz der Verbrauch um vier bis fünf Prozent zulegen. Das wäre für E.ON ohne Überlastung machbar, weil die Infrastruktur durch Investitionen und dem Ausbau der Stromnetze immer effizienter wird. Und selbst wenn es bis 2045 nur noch Elektrofahrzeuge auf deutschen Straßen gäbe, kann das Stromnetz die zusätzliche Belastung durch mehr Elektroautos problemlos verkraften.

Auch alle anderen deutschen Verteilnetzbetreiber bestätigen, dass die Netze und der zukünftige Strombedarf selbst bei 100 % Elektromobilität passen.

Ergänzend zu theoretischen Modellen untersuchte u.a. der Netzbetreiber Netze BW die Auswirkungen der Elektromobilität auf das Stromnetz unter realen Bedingungen. So wurden praxisnahe Feldversuche für drei verschiedene Wohnsituationen in so genannten NETZlaboren durchgeführt.

Dabei stand im NETZlabor E-Mobility-Allee zunächst das städtische Umfeld mit seinem engmaschigen Stromnetz im Fokus, danach im Rahmen des NETZlabors E-Mobility-Carré die Tiefgarage eines Mehrfamilienhauses mit zahlreichen Ladestationen. Im dritten Feldtest hat die Netze BW im NETZlabor E-Mobility-Chaussee in Kusterdingen bei Tübingen 18 Monate lang untersucht, wie sich die E-Mobilität speziell im ländlichen Raum auf das Stromnetz auswirkt.

Die E-Mobility-Allee: Laden in vorstädtischem Gebiet

Geschätzt 70 Prozent der Ladevorgänge werden im privaten Bereich stattfinden. Die Belchenstraße in Ostfildern bei Stuttgart ist gesäumt von Einfamilienhäusern. Die ideale Umgebung für das bundesweit erste NETZlabor. Zehn von 22 Haushalten in der Belchenstraße im Stadtteil Ruit erhielten ein Elektroauto (e-Golf, Renault Zoe, BMW i3) zur freien Verfügung. In Garagen und auf Stellplätzen baute Netze BW Ladestationen auf. Der Test in Ostfildern ging nach 18 Monaten zu Ende.

Ein Problem war, dass alle Haushalte in der Siedlung am gleichen Stromkreis hängen. Die Befürchtung beim Versuch war, dass alle nach der Arbeit zu Hause gleichzeitig die Autos aufladen wollen und dadurch das Netz kollabieren könnte.

Der Effekt stellte sich in der Siedlung aber nicht ein. An 17,5 Stunden pro Tag wurde gar nicht geladen. An fünf Stunden am Tag wurde mit einem, in einer Stunde mit zwei, und für 15 Minuten mit drei Fahrzeugen gleichzeitig geladen. Maximal hingen für sehr kurze Zeit fünf Fahrzeuge am Kabel. Die Netzbelastung war weniger hoch als befürchtet.

Über den Tag verteilt wurden in der Belchenstraße in einem Haushalt nicht mehr als 3,3 Kilowatt gezogen. Wurde das E-Fahrzeug eingestöpselt, waren es elf kW. Mit der elektronischen Zuteilung von Ladezeiten durch ein intelligentes Lademanagement konnten Engpässe vermieden werden. Je nach Netzspannung wurde dann mehr oder weniger Ladeleistung freigegeben, sodass die Batterien der Autos am Morgen ohne Einschränkungen voll waren. Das Stromnetz war zu keinem Zeitpunkt an der Belastungsgrenze.

Interessiert beobachtete Netze BW auch das Ladeverhalten. Anfangs zeigten die Einwohner in der Belchenstraße eine gewisse Reichweitenangst. Die Autos wurden oft angesteckt und nur Strom für 68 Kilometer geladen. Danach wuchs das Zutrauen in die Fahrzeuge, es wurde seltener geladen und ein Ladevorgang reichte dann für 130 Kilometer.

Das E-Mobility-Carré: Laden in der Tiefgarage eines Mehrfamilienhauses

Die Hälfte der Wohneinheiten in Deutschland befindet sich in Mehrfamilienhäusern. Eine steigende Nachfrage nach Lösungen für das Laden in Tiefgaragen ist auch hier zu erwarten. Zumal eine gesetzliche Hürde beseitigt wurde: Bislang mussten alle Eigentümer der Installation einer Ladevorrichtung zustimmen. Inzwischen reicht eine einfache Mehrheit. Eine Wohnanlage in Tamm (Kreis Ludwigsburg) erwies sich für einen zweiten Test als geeignetes NETZlabor.

Hier installierte Netze BW in einer Tiefgarage der Wohnanlage 58 Ladestationen. Den Teilnehmern wurden 45 E-Autos(BMW i3 und VW e-Golf) für den täglichen Gebrauch überlassen. Die restlichen 13 Ladepunkte waren für bereits bestehende E-Autos von Bewohnern reserviert. Im Schnitt brachte es jeder der Teilnehmer auf eine monatliche Fahrleistung von 1100 Kilometer. In einem 16-monatigen Feldversuch wurde untersucht, ob die bisherige Anschlussleistung auch für nachträglich in der Tiefgarage installierte Ladestationen noch ausreicht. Beziehungsweise wie man bestenfalls ohne zusätzliche Netzverstärkungsmaßnahmen mit dem bestehenden Hausanschluss auskommt – und zwar ohne Komforteinbuße für die Bewohner.

Während der gesamten Projektdauer fanden nie mehr als 13 Ladevorgänge parallel statt. Fast während der Hälfte der Zeit wurde sogar überhaupt kein Auto geladen. Die maximale verfügbare Leistung der Wohnanlage von 124 kW wurde kein einziges Mal vollständig abgerufen. Während der gesamten Projektphase betrug die maximale Leistungsspitze knapp 98 kW. Leistungsspitzen mit mehr als 80 kW gab es insgesamt nur knapp 15 Stunden lang. Durchschnittlich gaben die 58 Ladepunkte zusammen etwa 240 kWh pro Tag an die E-Autos ab, im Schnitt waren es gut 17 kWh pro Ladevorgang. Um die E-Autos zuverlässig zu laden, reichte eine durchschnittliche Ladeleistung von nur 4,61 kW.

Die meisten E-Fahrer hängten ihr Auto zwischen 18 und 22 Uhr ans Stromkabel, wenn sie von der Arbeit oder dem Sport nach Hause kamen. Sie brauchten es erst am nächsten Morgen wieder – und genau diese Flexibilität nutzte ein installiertes intelligentes Lademanagementsystem. Hiermit konnten die Anschlussleistung der Ladepunkte abgesenkt und so Lastspitzen reduziert werden. Bestehende Netzanschlüsse von Mehrfamilienhäusern können dadurch optimal ausgenutzt werden, ohne kostspielig erweitert werden zu müssen. Dafür muss lediglich zeitweise eine etwas längere Ladezeit in Kauf genommen werden. Wodurch sich aber über 90 Prozent der Projektteilnehmer überhaupt nicht eingeschränkt fühlten – eine wichtige Erkenntnis aus dem E-Mobility-Carré.

Nach 16 Monaten wurden die 45 E-Fahrzeuge von der Netze BW wieder zurückgenommen. Die Eigentümergemeinschaft entschied, die Ladeinfrastruktur zu übernehmen, da das Interesse an E-Mobilität geweckt wurde. Mehrere Teilnehmer haben sich inzwischen ein eigenes E-Auto gekauft.

Die E-Mobility-Chaussee: Laden im ländlichen Versorgungsgebiet

Die Netze BW hat mit ihrem dritten Feldtest im NETZlabor „E-Mobility-Chaussee“ in Kusterdingen bei Tübingen 18 Monate lang untersucht, welche Auswirkungen die E-Mobilität speziell im ländlichen Raum auf das Stromnetz hat. Kann eine intelligente Steuerung das Netz entlasten, ohne das Ladeverhalten einzuschränken zu müssen?

Mit ihrem typisch ländlichen Niederspannungsnetz mit 850 Meter langem Stromkreis war die Römerstraße in Kusterdingen ein typisches Beispiel für die ländliche Netztopologie. Im Januar 2020 stellte die Netze BW dort sieben Teilnehmer ein E-Fahrzeug zur Verfügung. Ein weiteres E-Fahrzeug war in der Straße bereits vorhanden und konnte in den Feldtest einbezogen werden. Im Rahmen des Feldversuchs kamen noch acht Wallboxen hinzu, an denen mit bis zu 22 kW geladen werden kann.

Insgesamt legten die Teilnehmer über die gesamte Projektlaufzeit 130.000 elektrische Kilometer zurück. Das entspricht rund 12.000 bis 15.000 Kilometern Fahrleistung pro Jahr und Fahrzeug.

Drei Lösungsansätze wurden von der Netze BW untersucht. Sie testeten ein präventives Lademanagement, einen Batteriespeicher sowie einen so genannten Strangregler, der punktuell die Spannung im Stromnetz anheben kann.

Ein Ergebnis der Studie war, dass die größte Flexibilität das intelligente Lademanagement bietet. Es reduziert direkt die Last, was besonders in Zeiten hohen Stromverbrauchs wichtig ist. Nur die Hälfte der Teilnehmer habe davon überhaupt etwas bemerkt. Niemand habe sich bei Ladekomfort und Mobilitätsverhalten eingeschränkt gefühlt.

Als Letztes wurde auch ein Stresstest durchgeführt. Alle E-Fahrzeuge wurden zum selben Zeitpunkt geladen, um die 100 % Gleichzeitigkeit zu simulieren. Das gleichzeitige Laden der acht E-Fahrzeuge brachte das Stromnetz lokal an seine Belastungsgrenze. Das zeigt, dass eine Integration der Elektromobilität in das Netz gelingen kann, wenn ein intelligentes Lademanagement eingesetzt und zudem das Netz weiter ausgebaut wird. Schon jetzt erlaubt das Lademanagement, die Anzahl der Ladepunkte zu erhöhen, um so Interessierten den Umstieg auf ein E-Fahrzeug schneller zu ermöglichen. Zeit, die genutzt werden kann, das Netz zukunftssicher auszubauen. Ein nächstes NETZlabor, das „intelligente Heimladen“, hat die Netze BW an den Standorten in mehreren Kommunen Baden-Württembergs in Ettenheim, Künzelsau und Wangen durchgeführt.

eLISA BW

Acht weitere Pilotprojekten zur intelligenten Anbindung von Ladeinfrastruktur in Parkhäusern und Tiefgaragen an das Stromnetz wurden zusammen vom Umweltministerium Baden-Württembergs mit 2,9 Millionen Euro gefördert.

Eines davon ist das Projekt eLISA-BW. Die Projektbezeichnung eLISA-BW steht für „E-Ladeinfrastruktur intelligent steuern und anpassen in Baden-Württemberg“. Ziel des vom Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) getragenen Vorhabens war die Entwicklung und Erprobung von „vorausschauendem Laden“.

Im Projekt haben das DLR und das ZSW für die Fahrzeugflotte des Regierungspräsidiums Karlsruhe ein intelligentes Lademanagement in dessen Fuhrpark erfolgreich eingerichtet und optimiert.

Die lokale Anschlussleistung des Fuhrparks an das Stromnetz war zu gering, um zusätzliche Ladesäulen mit einer Leistung von je 22 kW zu betreiben. Statt gleichzeitigem Laden bei voller Leistung durch ein sehr teurer Ausbau des Netzanschlusses, der Trafoanlagen oder den Einbau von Batteriespeicher bestand die Lösung darin, die Ladeleistung individuell anzupassen. Es reicht, wenn das Fahrzeug pünktlich bis zur nächsten Fahrt geladen ist.

Dazu verarbeitet ein Algorithmus die Buchungsdaten der Fahrzeuge und passt die Ladevorgänge für jedes E-Fahrzeug individuell an. Der Algorithmus steuert die Ladeleistungen so, dass die Batterien rechtzeitig bis zur nächsten Fahrt ausreichend geladen sind und dabei der Netzanschluss nicht überlastet wird.

eNetz 2.0

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Nach 4 Jahren Forschungsarbeit mit über 100 Projekteilnehmern zieht Netze BW ein Fazit der NETZlabore. In Kooperation mit dem Branchendienst electrive.net geben sie in einer Online-Veranstaltung die Antwort auf die Frage: Sind die Stromnetze fit für die Elektromobilität?
Das Event eNetz 2.0 findet am 25. November 2022 von 9:30 bis 12:00 Uhr Online statt. Die Teilnahme ist kostenlos. Vertreter aus unterschiedlichen Branchen diskutieren. Mit dabei sind u.a. Dr. Patrick Graichen vom BMWK und Hildegard Müller vom VDA. Hier kann man sich kostenlos anmelden: www.netze-bw.de/enetz