Ladeinfrastruktur: So sollen 15 Millionen E-Autos ans Netz kommen
Wie muss das Stromnetz ausgebaut werden, wenn in wenigen Jahren 15 Millionen Elektroautos auf deutschen Straßen unterwegs sein sollen? Nach dem Abschluss von vier Pilotprojekten zur Integration von Elektroautos in die Stromnetze stehen die Betreiber vor "enormen Herausforderungen" und einer "riesigen Aufgabe". Das sagte Markus Wunsch von der EnBW-Tochter Netze BW auf einer Veranstaltung am 25. November 2022 in Stuttgart(öffnet im neuen Fenster).
Neben technischen Maßnahmen sind nach Ansicht des Netzbetreibers auch neue gesetzliche Regelungen erforderlich, um die Integration von Millionen Elektroautos, Wärmepumpen und Solaranlagen zu ermöglichen. Die Nationale Leitstelle Ladeinfrastruktur hält neue Förderprogramme für bidirektionale Wallboxen und Lademanagement in Tiefgaragen für sinnvoll.
Seit 2018 hat Netze BW die Netzintegrationen von Elektroautos in vier praxisnahen Feldversuchen(öffnet im neuen Fenster) untersucht. Dazu gehörten die sogenannte E-Mobility-Allee in einem städtischen Straßenzug in Ostfildern, das E-Mobility-Carree in einer Tiefgarage in Tamm (g+) sowie die E-Mobility-Chaussee im ländlichen Raum bei Tübingen. Zuletzt testete der Betreiber an vier Standorten das "intelligente Heimladen" mit der Steuerung von Ladevorgängen(öffnet im neuen Fenster) über ein Lastmanagement.
Hohe Netzbelastung nicht auszuschließen
Die Ergebnisse der Testlabore waren teils erwartbar, teils überraschend. Es zeigte sich, dass der sogenannte Gleichzeitigkeitsfaktor der Anteil der gleichzeitig ladenden Fahrzeuge, in den Projekten zwischen 22 und 88 Prozent schwankte. Hingegen verliefen die Zeiten der Spitzenlast in den Versuchen mehr oder weniger gleich, mit Höchstwerten zwischen 20:00 und 22:00 Uhr.
Der Gleichzeitigkeitsfaktor ist für die Netzbetreiber entscheidend. "Extreme Gleichzeitigkeiten von bis zu 90 Prozent sind absolut nicht auszuschließen", sagte Patrick Vasile von der Netzintegration Elektromobilität bei Netze BW und fügte hinzu: "Wir müssen als Verteilnetzbetreiber unsere Stromnetze auch für diese sehr unwahrscheinlichen Fälle genauso auslegen wie auf die durchschnittliche Auslastung." Sein Fazit: "Da gibt es nur eine Lösung: Wir müssen unser Netz verstärken."
Schneller Netzausbau nicht möglich
Doch das ist leichter gesagt als getan. Laut Vasile verfügt allein Netze BW über fast 200.000 Niederspannungsstromkreise. Bei der Elektromobilität gehe es um "gigantische Ladeleistungen", die versorgt werden müssten. Zwar werde das Stromnetz laufend ausgebaut und erneuert. Jedoch verlaufe der Hochlauf der E-Mobilität hin zu den geplanten 15 Millionen Elektroautos bis 2030 "viel schneller, als wir die Erneuerung des Netzausbaus umsetzen können".
So viele Kollegen, Dienstleister und Baufirmen "gibt es gar nicht, um das in einem ähnlichen Zeitraum umzusetzen", sagte Vasile. Zudem vergingen von der Planung bis zur Inbetriebnahme eines Umspannwerks etwa zehn Jahre.
Allerdings beschloss die Bundesregierung jüngst mit ihrem Masterplan einen vorauslaufenden Ausbau der Infrastruktur. Das heißt: Bevor sich die Kunden in den kommenden Jahren millionenfach Elektroautos anschaffen, sollen schon ausreichend öffentliche und private Ladestellen vorhanden sein. Dieses Ziel bekräftigte Daniela Kluckert, Staatssekretärin im Bundesverkehrsministerium, auf der Veranstaltung von Netze BW. "Klar ist, dass sich die Menschen nur ein Elektroauto kaufen, wenn sie auch laden können."
In der Konsequenz bedeutet das: Solange die Stromnetze nicht entsprechend ausgebaut sind, müssen sich die Netzbetreiber mit anderen Mitteln helfen. Vasile nannte dazu drei "Hilfsmittel": sogenannte Strangregler, Batteriespeicher und Lastmanagement.
Das Mittel der Wahl ist das Lastmanagement.
Standardisierte Schnittstelle für Steuerung der Wallboxen entwickelt
Dieses lässt sich sowohl in einzelnen Niederspannungsstromkreisen wie beim "intelligenten Heimladen" als auch an einzelnen Hausanschlüssen wie in der Tiefgarage in Tamm umsetzen. Das Konzept: Der verfügbare Strom wird durch eine flexible Steuerung der Wallboxen so auf die Elektroautos verteilt, dass die Maximalleistung nicht überschritten wird. Dadurch wird der Ladevorgang zeitlich gestreckt, was in der Regel von den Autofahrern nicht einmal bemerkt wird.
Dieses Lastmanagement ist technisch und regulatorisch alles andere als trivial, wenn es wie in der E-Mobility-Chaussee zahlreiche Hausanschlüsse an einem Niederspannungsstrang betrifft. Dazu hat Netze BW nach eigenen Angaben inzwischen eine standardisierte digitale Schnittstelle für Steuerung der Wallboxen entwickelt.
Diese basiert auf einem sogenannten Smart Meter Gateway (SMGW) und einer Steuerbox. Damit ließen sich mehrstufige oder stufenlose Steuerbefehle umsetzen. Leistungsdaten der Wallbox seien ebenfalls jederzeit nach Bedarf abrufbar. Laut Netze BW kommunizieren das SMGW und die Steuerbox über ein standardisiertes Protokoll nach IEC 61850, während die Schnittstelle zum Ladepunkt nach VDE-AR-2829-6-1 und VDE-AR-2829-6-2 umgesetzt wurde.
Das Lastmanagement wird in dem Projekt jedoch nicht dynamisch, sondern statisch auf Basis historischer Verbrauchsdaten umgesetzt. Der Stromverbrauch des Strangs werde in der Umspannstation zwar dynamisch gemessen, jedoch nicht direkt ausgewertet, um damit flexibel die Wallboxen ein- und auszuschalten. Dieses Konzept wurde jedoch im Projekt E-Mobility-Chaussee testweise umgesetzt. Dazu wurde jeweils ein Home-Energy-Management-System (HEMS) installiert, das über LTE verbunden war.
Netzbetreiber warten auf Gesetz zur Spitzenglättung
Doch um ein solches Lastmanagement gegen die Interessen der Stromlieferanten und Autoindustrie durchsetzen zu können, braucht es zunächst eine gesetzliche Regelung zur sogenannten Spitzenglättung. Anfang 2021 zog die damalige Bundesregierung jedoch den Vorschlag für ein Steuerbare-Verbrauchseinrichtungen-Gesetz (SteuVerG) wieder zurück. Das Gesetz hätte es den Netzbetreibern ermöglicht, in großem Umfang in die Anschlüsse der Verbraucher eingreifen.
Doch in die Sache ist inzwischen wieder Bewegung gekommen. Nach Einschätzung von Martin Konermann, Technischer Direktor von Netze BW, könnte das Gesetz im kommenden Jahr beschlossen werden. Ähnlich optimistisch äußerte sich vor einiger Zeit auch der Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW). Die mehrfache Anfrage von Golem.de, ob und wann der Paragraf 14a des Energiewirtschaftsgesetzes (EnGW) im Sinne der Netzbetreiber geregelt werden soll, beantwortete das Bundeswirtschaftsministerium bislang nicht.
Falls ja, könnte es in Zukunft schwieriger werden, über Preisanreize die Halter von Elektroautos zum "marktdienlichen Laden" zu bewegen. Diese Art von Lademanagement soll eigentlich dann greifen, wenn der Strom gerade am günstigsten ist. Doch nach Ansicht von Markus Wunsch von Netze BW können solche Preisanreize gar "gefährlich" werden. Schließlich könnten sie den Gleichzeitigkeitsfaktor nach oben treiben und damit einen Netzstrang an die Belastungsgrenze bringen.
"Flutwelle" an Wallbox-Anmeldungen erwartet
Aber selbst, wenn die Ampelkoalition den Wünschen der Netzbetreiber entspräche, wäre der Netzausbau noch kein Selbstläufer. Denn zunächst müssen die Anbieter wissen, wo der Strombedarf am größten ist und Engpässe entstehen könnten. "Wir brauchen eine Übersicht über alle privaten Ladepunkte", sagte Johannes Pallasch, Leiter der Nationalen Leitstelle Ladeinfrastruktur. Auf dieser Basis erstelle die Leitstelle dann entsprechende Bedarfsprognosen.
In diesem Zusammenhang warnte Markus Konermann die anderen Netzbetreiber vor der künftigen Entwicklung. "Perspektivisch werden wir Zigtausende Anfragen pro Jahr reinbekommen, das kriegen wir mit Händen nicht gelöst, dafür brauchen wir digitale Prozesse", sagte der Technikchef und fügte hinzu: "Ich kann allen meinen Netzbetreiberkollegen nur empfehlen: Guckt euch das rechtzeitig an, die Flutwelle wird sehr, sehr groß werden." Die Anmeldung einer Wallbox müsse digital möglichst vollautomatisch laufen, so dass kein Mitarbeiter den Vorgang mehr überprüfen müsse.
Bei Netze BW gingen schon 90 Prozent der Anträge über ein Onlineformular ein, der Rest über E-Mail. Nach einem Höchstwert im Dezember 2021 mit fast 3.000 Wallbox-Anmeldungen sank deren Zahl auf etwa 700 im Oktober 2022. Diesen Rückgang erklärte Netze BW mit den "dramatischen Krisen" in diesem Jahr, was aber nur einen vorübergehenden Einbruch darstelle. Derzeit gebe es knapp 50.000 Ladepunkte mit einer Gesamtleistung von 620 Megawatt. Von diesen seien 85 Prozent in Privatbesitz.
Vollautomatische Berechnung der Anträge
Die Vollautomatisierung ist laut Konermann auch für die Netzberechnung erforderlich, bei der entschieden wird, ob ein Stromkreis noch eine zusätzlich beantragte Ladesäule versorgen könne. "Wenn wir da einzeln drauf gucken müssen, sind wir viel zu langsam", sagte der Technik-Chef. Darüber hinaus müsse der Netzbetreiber die Belastung seines Netzes künftig in Echtzeit kennen.
"Jeder Netzbetreiber braucht einen Überblick über die Ist-Situation seines Netzes, damit er erkennt: Habe ich jetzt einen Engpass oder habe ich morgen einen. Wir gucken auf den Wetterbericht: Wir sehen, wie ist die PV-Einspeisung, wie ist die Windeinspeisung, können dann auch die Einspeisesituation prognostizieren und dann sagen: Dort haben wir einen Engpass", erläuterte Konermann. Das gehe aber nur, wenn der Netzbetreiber in der Lage sei, zu messen und zu steuern. "Da sind wir noch nicht ganz so weit", räumte er ein.
Bidirektionales Laden: "unglaublich spannend"
Diese Digitalisierung ist auch Voraussetzung für eine weitere Art von Lademanagement: das sogenannte systemdienliche Laden. Dazu können die Elektroautos beitragen, wenn mit dem Strom ihrer Batterien Lastspitzen abgefangen werden. "Die Chancen, auch wieder Strom zurückspeisen zu können, sind ein wesentlicher Hebel für das Thema Energiewende", sagte Niklas Schirmer von der VW-Ladetochter Elli.
Auch Staatssekretärin Kluckert findet das Thema bidirektionales Laden "unglaublich spannend", fügte aber hinzu: "Da sind wir noch am Anfang, da müssen wir jetzt die Weichen stellen, dass das voran geht." Pallasch räumte ein, dass die bisherigen Regierungen das Thema eher verschlafen hätten. "Das hätten wir eigentlich schon jetzt fertig auf dem Tisch liegen haben müssen", sagte der Leitstellen-Leiter. Das Thema sei aber im Masterplan enthalten und werde schon bald umgesetzt. Dabei müsse auch mitbedacht werden, die erforderliche Technik ebenfalls auszurollen.
Neue Förderungen für Wallboxen und Tiefgaragen möglich
Pallasch schloss in diesem Zusammenhang nicht aus, dass der Bund noch einmal eine Förderung für Wallboxen auflegt: "Das wird man vermutlich beim Thema bidirektionales Laden überlegen müssen." Ebenfalls hält er es für möglich, dass der Einbau von Lademanagementsystemen in größeren Tiefgaragen unterstützt werden könnte. "Da müssen wir vom Ende her denken, gleich die Steuerung einbauen, und ich vermute, das müssen wir auch in irgendeiner Form anreizen, weil es sonst vielleicht nicht unbedingt von alleine passiert", sagte Pallasch.
Trotz der sehr lobenswerten Testlabore kann auch Netze BW nur ahnen, welchen Weg die E-Mobilität in den kommenden Jahren noch einschlagen wird. So wies Konermann darauf hin, dass bei der Infrastruktur der Bedarf der Lkw mit berücksichtigt werden müsse. Seiner Einschätzung nach würden künftig 50 Prozent des Schwerverkehrs elektrisch betrieben.
"Machen, machen, machen"
Elli-Manager Schirmer zeigt sich skeptisch, dass die Elektrifizierung in den 900 deutschen Verteilnetzen ebenso aktiv wie in Baden-Württemberg umgesetzt werden könne. "Da habe ich schon ein bisschen Sorgen, dass wir das bundesweit hinkriegen", sagte Schirmer. Zudem müsse der Aufbau der Infrastruktur, auch mit Blick auf das bidirektionale Laden, europäisch gedacht werden. "Die Batterie auf Rädern ist das erste Energie-Asset, das Ländergrenzen überschreitet, und zwar im täglichen Gebrauch", sagte Schirmer.
Dabei zeigte er sich "verhalten optimistisch", da die EU viele Dinge als "noch innovativer erkannt" habe, als das in Deutschland in zäher Dynamik in den vergangenen Jahren erlebt worden sei. Die Umsetzung für dieses Riesen-Infrastrukturprojekt müsse aber jetzt durchstarten. Jetzt gelte es zu "machen, machen, machen". Sonst sei die Elektrifizierung nicht zu schaffen.
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