Last- und Lademanagement für die E-Mobilität

Zum Laden von Elektrofahrzeugen benötigt man eine Infrastruktur, die heute vielfach noch nicht vorhanden ist. Gerade das parallele Laden mehrerer Fahrzeuge erfordert neben der elektrotechnischen Infrastruktur auch ein zugehöriges Last- bzw. Lademanagement.

Allgemein unterscheidet man beim Laden von Elektrofahrzeugen zwischen sogenannten AC-Ladern und DC-Ladern. Der für die Batterien des Autos erforderliche Gleichstrom wird beim AC-Laden durch ein On-Board-Ladegerät erzeugt, das im Fahrzeug selbst installiert ist. Beim DC-Laden hingegen übernimmt diese Stromumwandlung direkt die Ladestation und speist Gleichstrom in das Fahrzeug ein.

In der Regel können mit DC-Ladern Elektroautos mit erheblich mehr Leistung und somit deutlich schneller geladen werden, sofern die Spezifikationen des Autos dies zulassen (zum Beispiel Tesla: bis zu 250 kW, Nissan Leaf: bis zu 50 kW). DC-Ladestationen sind aber preislich deutlich höher angesiedelt als die AC-Lader und somit meistens nur im öffentlichen Bereich üblich.

Installation der Ladeinfrastruktur

Bild 1: Ein Lademanagement kann ein Überschreiten der vereinbarten Lastspitze bzw. einen Blackout verhindern, Quelle: TQ-Automation

Für die Installation der entsprechenden Lade­infrastruktur gilt es einige Dinge zu beachten, damit die bereitgestellte Leistung ­bedarfsgerecht auf die Anforderung der E-Autos abgestimmt ist und im Rahmen des verfügbaren Netzanschlusswertes optimiert wird. Dies ermöglicht zum einen geringere Investitionskosten. Zum anderen lassen sich auch versteckte Folgekosten vermeiden, die durch vermeidbare Lastspitzen und Netzentgelte verursacht werden können.

Dafür gilt als erstes zu prüfen, wofür der Netzanschluss des Kunden überhaupt reicht. Viele Unternehmen planen eine Installation einer Ladeinfrastruktur in ein bestehendes Gebäude mit einer Grundlast und einem Netzanschluss, der höchstens ein statisches Lastmanagement mit einem Puffer für ­etwaige Lastspitzen bietet.

Hier gilt es zu entscheiden, ob ein Ausbau der Netzanschlusskapazität notwendig ist, weil der Puffer des statischen Lastmanagements nicht ausreicht. Alternativ gibt es die Möglichkeit, mit einem dynamischen Lastmanagement die bisherige Nutzlast so zu optimieren, dass die Leistungsspitzen nicht steigen und unter Umständen sogar gesenkt werden können.

Als Beispiel für eine Ladeinfrastruktur wollen wir eine Lösung mit zehn Ladepunkten zu je 22 kW und 32 A pro Phase betrachten. Würden alle Ladepunkte gleichzeitig mit voller Leistung genutzt, benötigt man dauerhaft 220 kW Reserve mehr, auch bei einer schwankenden Grundlast des Gebäudes. Ist die Differenz zwischen Netzanschlusskapazität und der höchsten zu erwartenden Lastspitze im Abrechnungszeitraum jetzt kleiner als die notwendige Reserve, kann das für den Kunden teuer werden. Denn mit rund 120 € im Jahr pro zusätzlichem kW in der Lastspitze können hier schnell hohe Kosten entstehen, die man so nicht berücksichtigt hat. Und wenn der Kunde seinen Netzanschluss ausbaut, um mit dem statischen Lastmanagement die Schwankung abzufedern, kommen auf ihn zusätzliche Anschaffungskosten von rund 80 € pro zusätzlichem kW Anschlussleistung hinzu.

Dynamisches Lastmanagement

Ein dynamisches Lastmanagement bietet hier eine kostengünstigere Alternative. Mit ihr lassen sich Lastspitzen kontrollieren oder sogar vermeiden, etwa indem Verbraucher, die zur Grundlast beitragen, bedarfsgerecht ab- und wieder zu geschaltet werden. Bei der Ladeinfrastruktur für E-Autos bieten sich hierfür zahlreiche Möglichkeiten. Denn nicht jedes Auto muss gleichzeitig mit voller Leistung geladen werden, wenn diese etwa über mehrere Stunden auf dem Parkplatz stehen. Deutet sich eine Lastspitze an, werden bestimmte Ladestationen abgeschaltet oder die Grundlast des Gebäudes durch intelligente Steuerung gesenkt.

Bei der Entscheidung für eine Ladeeinrichtung ist es auch wichtig, dass diese normenkonform ist, denn seit dem 1.4.2019 gilt mit der VDE-AR-N 4100:2019-04 eine überarbeitete Norm im Bereich Ladeeinrichtungen für Elektromobilität, Speicher und Struktur. Sie verlangt unter anderem eine Wirkleistungssteuerung sowie Phasensymmetrie ab 12 kVA. Diese Werte erreicht man bereits mit einem Ladepunkt nach unserem Beispiel.

Bild 2: Die Komponenten des Lademanagementsystems »DM100«; Quelle: TQ-Automation

Außerdem ist es für den Investitionsschutz der Infrastruktur wichtig, sich für eine herstellerunabhängige Ladeinfrastruktur zu entscheiden. Erfahrungsgemäß bauen viele Kunden ihre Ladestellen nicht auf einmal aus, sondern erweitern diese nach Bedarf über einen längeren Zeitraum hinweg. Daher ist es wichtig, dass der Kunde nicht nach ein oder zwei Jahren auf ein komplett anderes System umschwenken muss, weil der ursprüngliche Hersteller seiner Einrichtung nicht mehr am Markt ist. Eine Lösung, die nicht herstellerunabhängig funktioniert, kann für den Kunden im schlimmsten Fall allerdings auch bedeuten, dass er komplett an diesen gebunden ist und kaum Möglichkeiten hat, etwa bei einem sich verschlechternden Preis-Leistungs-Verhältnis oder ausbleibenden Innovationen, zu wechseln.

Bei der Planung mit dem Kunden ist also genau darauf zu achten, gemeinsam sein bisheriges Lastprofil anzusehen und darauf aufbauend zu entscheiden, wie der gesteigerte Leistungsbedarf durch die Ladeinfrastruktur gedeckt werden kann. Wichtig ist hierbei zu beachten, dass das dynamische Lastmanagement in den allermeisten Fällen die günstigere und zukunftssichere Wahl ist. Reicht der Netzanschluss aus, um den Mehrbedarf der Ladesäulen zu decken, lassen sich mit einem dynamischen Lastmanagement Lastspitzen verringern und so die laufenden Kosten senken. Die Investitionskosten in die Lösung amortisieren sich unter Umständen bereits nach einem Jahr. Muss der Kunde mit einer höheren Lastspitze planen, lässt sich mit dem dynamischen Lastmanagement unter Umständen eine Erhöhung der Anschlussleistung vermeiden und gleichzeitig die Lastspitzen optimieren (Bild 1). Dadurch fällt die Erhöhung der laufenden Kosten deutlich geringer aus, als bei dem Anschlussausbau in Kombination mit einem statischen Lastmanagement.

Lösung in der Praxis

Bild 3: Sensoren erfassen die aktuellen Verbrauchswerte mit bis zu 200 ms Taktung; Quelle: TQ-Automation

Das Last- und Lademanagementsystem »DM100« (Bild 2) eignet sich für die oben skizzierten Anforderungen. Es besteht prinzipiell aus den Elementen Messtechnik, Automatisierungskomponenten und der Projektierungssoftware. Die Messtechnik besteht aus einem oder mehreren Energy Managern »EM420«, die an potenziell kritischen Stellen installiert sind und dort über Sensoren den aktuellen Stromverbrauch oder die aktuelle Stromerzeugung erfassen (Bild 3). Ein Gerät muss dabei immer am Netzanschlusspunkt installiert werden, um ein zuverlässiges Lastmanagement realisieren zu können. Optional kann man weitere Messpunkte setzen, um die Transparenz zu erhöhen. Die Messdaten werden über Modbus TCP oder Modbus RTU an die Automatisierungskomponenten weitergegeben (Abfrageintervall bis zu 200 ms). Die Automatisierungskomponenten bestehen aus einer SPS und optional weiteren I/O-Modulen. Der Controller berechnet und entscheidet anhand der gelieferten Messdaten, ob Verbraucher/Erzeuger angesteuert werden müssen, um einen Blackout oder eine Lastspitze zu verhindern. Die Ladeeinrichtungen werden über Modbus TCP oder Modbus RTU angesteuert. Weitere Verbraucher wie Lüftungsanlagen, Wärmepumpen oder Kältemaschinen können über diverse I/O-Module angesteuert werden. Hierfür gibt es Relais-Ausgänge sowie digitale und analoge Steuersignale (0…10 V, 0…20 mA, 4…20 mA).

Außerdem muss nicht nur der Netzanschluss überwacht werden, sondern auch die Zuleitung zum Unterverteiler der Ladeeinrichtungen. Durch die Installation eines Lastmanagements kann die Zuleitung hier geringer dimensioniert werden, als die Summe der Ladepunkte benötigen würden. So kann man zusätzlich Investitionskosten sparen.

Um die potentiellen Lastspitzen erkennen und verhindern zu können, ist es notwendig sich zeitlich mit dem Energieversorgungsunternehmen (EVU) zu synchronisieren. Es wird beim EVU ein sog. Synchronisationsimpuls beantragt, der über den Controller eingelesen werden kann. So wird gewährleistet, dass die lokale Steuerung vor Ort die gleiche 15-min-Periode betrachtet, die auch der Energieversorger abrechnet.

Die Konfiguration der Messpunkte und Ladeeinrichtungen erfolgt über die mitgelieferte Software mit vorgefertigten Applika­tionsbibliotheken, in denen sich die notwendigen Software- und Hardware-Applika­tionsbausteine befinden. Diese Applikationsbausteine kann man zum Aufbau der Lastmanagementapplikation nutzen.

Über die integrierte Visualisierung lassen sich die steuerbaren Verbraucher und Erzeuger priorisieren. Anhand der Priorisierung wird entschieden, welche Geräte im Falle ­eines drohenden Blackouts oder einer drohenden Lastspitze zuerst angesteuert werden, um den Netzbezug zu verringern. Diese ­Priorisierung findet auch beim Wiedereinschalten der Geräte Anwendung.

Phasenunsymmetrie beachten

Nach der VDE-AR-N-4100 dürfen Ladeeinrichtungen in Summe keine Phasenunsymmetrie von mehr als 20 A (entspricht 4,6 kVA) erzeugen. Ladeeinrichtungen sind zwar grundsätzlich dreiphasig angeschlossen, aber nicht jedes Elektroauto belastet alle drei Phasen. Die erste Version des Hyundai Kona lädt z. B. nur mit einer Phase, und belastet diese mit maximal 32 A – was laut VDE-AR-N-4100 nicht erlaubt ist (wenn es das einzige ladende Auto ist). Es gibt auch zweiphasig ladende Autos (z. B. der E-Golf lädt mit 16 A auf zwei Phasen) und natürlich auch Autos, die alle drei Phasen belasten.

Das Lademanagement im »DM100« überprüft in einem Initialisierungsvorgang jedes Elektroauto auf minimalen und maximalen Ladestrom sowie die belasteten Phasen beim Ladevorgang. Dies geschieht entweder durch installierte Messtechnik (Hardware), viele Ladeeinrichtungshersteller liefern die aktuellen Strom- und Leistungswerte auch über Modbus TPC/RTU zurück an den Controller. So kann die potenzielle Unsymmetrie zwischen den Phasen jederzeit festgestellt werden, um sie durch entsprechende Ansteuerung der Ladeeinrichtungen zu verhindern.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Lastmanagement ein Schlüssel zur E-Mobilität ist und sowohl in der Industrie, im Gewerbe, als auch im Wohnsektor immer zwingend notwendig ist. Doch nicht nur Spitzenlasten, sondern auch weitere Aspekte sind für die Betreiber von großer Relevanz und Notwendigkeit, wie beispielsweise Autorisierung, Abrechnung, Flottenmanagement.

Diese Anforderungen können sich zudem über die Zeit verändern, weshalb unbedingt ein offenes und herstellerunabhängiges System für Last- und Lademanagement genutzt werden sollte. Weiter ermöglicht solch ein offenes System einen schrittweisen Ausbau der Infrastruktur, bei dem auch verschiedene Hersteller von Ladevorrichtungen kombiniert werden können.

Autor

Thomas Zwanziger, Applications & Services, TQ-Automation

Quelle und Bildquelle: www.elektro.net