Ladesäulenmanagement

Die Elektromobilität hat national sowie international zunehmend an Bedeutung gewonnen. Die Anschaffung eines Elektrofahrzeuges wird gefördert und für die Zukunft setzen Wirtschaft und Wissenschaft hohe Ziele für den Ausbau der Elektromobilität.

Wir haben uns die Entwicklung und Umsetzung eines intelligenten Ladesäulenmanagement zur Aufgabe gemacht. Die Produktion und somit Auswahl und Anzahl von Elektrofahrzeugen steigt jährlich. Der Bedarf an Stromtankstellen wird somit in nahe Zukunft sich ausweiten und eine intelligente Ladeinfrastruktur wird gefragt.

Anwendungsfall Ladeeinrichtungen für Elektrofahrzeuge

Ein zentrales Problemfeld ist die Integration der Ladeinfrastruktur in die elektrischen Verteilnetze. Eine Simulation durch das Fraunhofer ISE anhand realer Netzdaten ergab, dass bereits 10 Elektro-PKWs den Trafo in der Verteilnetzschleife überlasten können. Ein typisches Erdkabel in einer Einfamilienhaussiedlung (NYY 4x70mm² Cu,  zulässig: 232 A) ist bei max. 14 Fahrzeugen (bei einem Ladestrom  von 16 A) bereits komplett ausgelastet.

Beim Laden im öffentlichen Raum gibt es eine Reihe weiter Probleme. Insbesondere widerspricht die Beschränkung der Parkzeit an Ladesäulen vor allem nachts elementaren Nutzeranforderungen. Es wird daher notwendig sein, deutlich mehr Ladesäulen zu installieren als für den reinen Ladebetrieb durchschnittlich erforderlich sind.

Ein generelles Problem für die Ladeinfrastruktur stellt zudem ein weitgehend synchrones Verhalten großer Nutzergruppen dar. Nach Feierabend werden z.B. in relativ kurzer Zeit sehr viele Fahrzeuge an die Ladepunkte angeschlossen und aktuell auch zeitgleich geladen.

Man könnte den genannten Problemen allein durch einen entsprechenden Ausbau der Verteilnetze begegnen. Dieser Ansatz wäre extrem teuer, könnte zeitlich nicht mit dem Wachstum der Elektromobilität Schritt halten und würde zu massiven Engpässen in der Ladeinfrastruktur führen.

Ein weiteres Problemfeld ist die Integration der Ladetechnik in eine IKT-Infrastruktur, die einerseits Grundlage für die Realisierung von Authentifizierungs-, Bezahl- und Abrechnungsvorgängen, andererseits Voraussetzung für die intelligente Steuerung der Ladeinfrastruktur ist.

Ein spezielles Problem stellt dabei die Kommunikation zwischen Ladeeinrichtung und Elektrofahrzeug dar. Der Ladestandard EN 62196 Typ 2 ermöglicht prinzipiell einen bidirektionalen Kommunikationskanal zwischen Fahrzeug und Stromtankstelle. Momentan wird auf diesem Weg die vom Elektroauto unterstützte Ladeleistung übermittelt, die dann durch das Lastmanagement bei Bedarf so reduziert wird, das eine Maximallast im Verteilnetzstrang nicht überschritten wird. Die Ladedauer kann daher variieren, der Ladevorgang ist aus Nutzersicht nicht mehr planbar.

Das dritte Problemfeld ist die Integration der Ladeinfrastruktur in den Straßenverkehr. Die Ladeeinrichtungen müssen für den Nutzer problemlos erreichbar sein und dürfen die Sicherheit und Leichtigkeit des Verkehrs nicht beeinträchtigen. Dafür ist die Verknüpfung des Managements der Ladeinfrastruktur mit der Verkehrstelematik, beispielsweise mit Verkehrsleitsystemen, notwendig.

Zur Lösung dieser Probleme müssen insbesondere technische Möglichkeiten für die bedarfsgerechte Integration von Ladesäulen in bestehende Verteilnetzstränge entwickelt werden, indem die begrenzten Leistungsressourcen intelligent verwaltet werden. Das kann durch eine automatische Abstimmung des Ladeverhaltens innerhalb eines Netzstranges realisiert werden. Grundlage dafür ist ein Verfahren zur Koordination von Verbräuchen begrenzter energetischer und stofflicher Ressourcen, das technisch zum Management von zeitvariablen Leistungsblöcken in einer Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge bei begrenzten Ressourcen des Verteilnetzes umgesetzt werden soll. Dadurch wird ein eindeutiger Ladezustand für eine gewählte Zielzeit gewährleistet, der Ladevorgang wird für den Nutzer planbar.

Der beschriebene Anwendungsfall zeigt, dass es notwendig ist, dass Gruppen von Ladesäulen sicher miteinander kommunizieren müssen. Es handelt sich dabei um eine sicherheitskritische Kommunikation, da ein fehlerhaftes oder böswillig hervorgerufenes Verhalten zum Ausfall ganzer Netzstränge und zu weiteren Kaskadeneffekten führen könnte.