Netzintegration Elektromobilität

NETZlabor E-Mobility-Carré

Ein Projekt der Netze BW zur Netzintegration von Elektromobilität in Mehrfamilienhäusern im Bestand

Dynamik in der Tiefgarage

Aktuell befinden sich ca. 53 % der Wohneinheiten in Deutschland in Mehrfamilienhäusern. Demzufolge rücken Mehrfamilienhäuser zunehmend in den Fokus der Elektromobilität. Im Vergleich zu Ein- oder Zweifamilienhäusern befindet sich hier eine höhere Konzentration an Bewohner*innen pro Fläche gemessen an der Gesamtfläche pro m². Wenn hier E-Autos perspektivisch elektrisch betrieben werden, müssen die Anforderungen dafür erfüllt werden. Aus diesem Grund stellt sich die Netze BW die zentrale Frage, wie der Netzanschluss einer Wohnanlage dimensioniert sein muss, wenn eine große Anzahl von E-Fahrzeugen in einer gemeinsam genutzten Tiefgarage gleichzeitig lädt. Im NETZlabor E-Mobility-Carré gehen wir genau dieser Frage auf den Grund und untersuchen die benötigte Anschlussleistung bei gleichzeitiger Belastung des Stromnetzes unter realen Bedingungen.

Mehrfamilienhäuser im Versorgungsgebiet der Netze BW

Die Grafik zeigt, dass 61 % der Wohngebäude aus Einfamilienhäusern bestehen, Zweifamilienhäuser bilden mit 23 % den zweitgrößten Anteil der Wohngebäude. Mehrfamilienhäuser sind mit 16 % der prozentual gesehene kleinste Gebäudetyp im gesamten Gebäudebestand. In absoluten Zahlen gemessen ergibt das ca. 160.000 Mehrfamilienhäuser im Versorgungsgebiet der Netze BW.

Betrachtet man die tatsächlichen Wohneinheiten in den jeweiligen Gebäudetypen – sprich die Anzahl an Bewohner*innen in den zu unterscheidenden Gebäudetypen – ist festzustellen, dass sich in der verhältnismäßig geringen Gesamtverteilung der Mehrfamilienhäuser (16 %) jedoch 53 % der Wohneinheiten befinden. Statistisch gesehen, hat jede Wohnung in einem Mehrfamilienhaus 0,43 Stellplätze. Hieraus ergibt sich ein erhöhter Leistungsbedarf durch viele gleichzeitig ladende E-Fahrzeuge.

Die 16-monatige Testphase liefert wichtige Ergebnisse und Erkenntnisse zu zentralen Fragestellungen:

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Der technische Aufbau des NETZlabors

Bei der Installation der Ladeinfrastruktur und den für den Aufbau benötigten technischen Komponenten ist die praxisnahe Planung sehr wichtig: der vollständige Aufbau der Ladeinfrastruktur erfolgt nach einem Prinzip, das so in jedem herkömmlichen Mehrfamilienhaus durchführbar ist. Um Daten und Ergebnisse zu speziell eingesetzten technischen Lösungen und dem Ladeverhalten zu gewinnen, wird speziell für das NETZlabor zusätzliche Messtechnik installiert. Insgesamt werden bei den Installationsarbeiten im E-Mobility-Carré 11 km Kabel verlegt, so dass für alle technischen Einheiten und Ladepunkte jederzeit ausreichend Strom und Datensignale fließen können. Die Projektteilnehmer*innen bekommen für den Praxistest insgesamt 45 E-Fahrzeuge plus Ladeinfrastruktur von der Netze BW zur Verfügung gestellt.

63 Eigentümer*innen, 58 Ladepunkte, 45 Elektrofahrzeuge und eine gemeinsam genutzte Tiefgarage

Das E-Mobility-Carré in Tamm bei Ludwigsburg ist das erste Pilotprojekt dieser Größenordnung in Deutschland.

VW e-Golf

  • Batteriekapazität: 35,8 kWh
  • Alltagsreichweite: ca. 200 km
  • Ladeleistung: 7,2 kW (AC)
  • Ladeverhalten: zweiphasig

BMW i3

  • Batteriekapazität: 33 kWh
  • Alltagsreichweite: ca. 240 km
  • Ladeleistung: 11 kW (AC)
  • Ladeverhalten: dreiphasig

Erhöhter Leistungsbedarf durch Elektrifizierung: Natürliches Ladeverhalten und dessen Auswirkungen auf das Stromnetz

Zusätzlich zu den üblichen Haushaltsverbrauchern wie Ofen, Herd oder Waschmaschine wirkt sich das Laden von E-Fahrzeugen stärker auf das Stromnetz aus. Bedeutet in der Praxis: Zu Zeiten, in denen alle oder die meisten Projektteilnehmer*innen ihre E-Autos zur gleichen Zeit laden möchten, kann sich der Leistungsbedarf schnell aufsummieren und es können Belastungsspitzen im Stromnetz entstehen. Um eine Grundlage für die anstehende Testphase und die Entwicklung von technischen Lösungsansätzen zur Verbesserung des Netzzustandes zu schaffen, wird daher zu Beginn des Projekts erst einmal das natürliche Lade- und Nutzungsverhalten der E-Pionier*innen ohne Einsatz von technischen Komponenten wie Batteriespeicher oder Lademanagementsystemen betrachtet. Hierbei ist im NETZlabor zu beobachten, dass abends zwischen 18 und 22 Uhr die meisten Ladevorgänge mit einer durchschnittlichen Ladedauer von 2,5 Stunden stattfinden. Die maximale Gleichzeitigkeit liegt bei 13 ladende E-Autos bei 58 Ladepunkten (= 22,4 %). In über 42 % der Zeit lädt kein E-Fahrzeug, die befürchtete maximale Gleichzeitigkeit bleibt aus.

Das Stromnetz gezielt entlasten durch verschiedene technische Lösungansätze – Ergebnisse und Erkenntnisse der Testphase

Die in der Tiefgarage verbauten technischen Komponenten bilden das “Herzstück” des NETZlabors: die zentrale Ladeeinrichtung umfasst 58 Ladepunkte. Zusätzlich werden ein zentrales Lademanagement und zwei Batteriespeicher mit je 18 kW Leistung bei jeweils 19 kWh Kapazität installiert, um bei Lastspitzen zusätzliche Leistung bereitzustellen und so den Leistungsbedarf des Netzanschlusses aus dem Stromnetz zu reduzieren. Um eine Überlastung des bestehenden Anschlusses zu verhindern und Tests mit hohem Leistungsbedarf durchführen zu können, wird vorsorglich ein separater Netzanschluss verlegt.

Lademanagement zur Reduktion der Netzanschlussleistung

Durch das intelligente Lademanagement wird die zur Verfügung stehende Ladeleistung, beginnend bei der Kapazität des Netzanschlusses (124 kW), Schritt für Schritt auf 40 kW reduziert. Werden viele E-Fahrzeuge zur gleichen Zeit geladen, steht den einzelnen E-Fahrzeugen folglich jeweils weniger Ladeleistung zur Verfügung. Bei gleichem Energiebedarf führt dies zwangsläufig zu einer längeren Ladedauer. Das Diagramm zeigt exemplarisch den Lastgang von bis zu acht gleichzeitig ladenden E-Fahrzeugen. Ohne Einsatz des Lademanagements würde es zu einer hohen Leistungsspitze von über 60 kW zwischen 18 und 20 Uhr kommen. Mit aktivem Lademanagement wird die Ladeleistung der E-Fahrzeuge so optimiert, dass der definierte Grenzwert von 40 kW eingehalten wird. Hiermit wird die Leistungsspitze vermieden. Die durchschnittliche Dauer eines Ladevorgangs steigt hierdurch von 135 auf 180 Minuten an.

Batteriespeicher als zusätzliche Energiequelle

Durch eine Mess- und Steuereinheit, welche die Leistung am Netzanschlusspunkt überwacht, wird der Batteriespeicher gesteuert. Zur Reduktion der Leistungsspitzen am Netzanschlusspunkt werden zwei Betriebsmodi untersucht: statischer und dynamischer Betrieb. Beim dynamischen Betrieb stellt der Batteriespeicher bei Überschreitung des oberen definierten Grenzwertes zusätzlich Leistung bereit, um einem Anstieg der Lastkurve entgegenzuwirken. Wird die untere Grenze unterschritten, lädt sich der Batteriespeicher bei Bedarf nach. Eine wichtige Erkenntnis aus dem Versuchsaufbau ist, dass der Einsatz eines Batteriespeichers nicht die gewünschte Wirkung erzielt: An manchen Tagen kommt der Batteriespeicher nicht zum Einsatz, weil entweder keine Leistungsspitzen über 35 kW entstehen, oder auch weil durch einen zu großen Leistungsbedarf der E-Fahrzeuge innerhalb kürzester Zeit viel Energie aus dem Batteriespeicher entnommen wird. Dies hat zur Folge, dass der Speicher nicht über die gesamte Dauer der Leistungsspitze aktiv unterstützen kann und es somit zu einem starken Anstieg der Bezugsleistung am Netzanschlusspunkt kommt. Ein solches Beispiel zeigt das Diagramm.

Notwendigkeit eines separaten Netzanschlusses

Der separate Netzanschluss ist auf eine Anschlussleistung von 124 kW ausgelegt. Die knappe Dimensionierung ist durch den Einsatz eines intelligenten Lademanagements möglich. Ohne dieses System müsste die Netzanschlussleistung auf 638 kW ausgelegt werden.

Der separate Netzanschluss mit einer Kapazität von 124 kW wurde – selbst ohne Leistungsoptimierung durch ein Lademanagement – nur zu 79 % ausgelastet. Mit dem auf eine Leistungsgrenze von 40 kW eingestellten Lademanagement beträgt die Auslastung des Netzanschlusses 32 %. Kurzum: Der separate Netzanschluss ist für das Ladeverhalten der E-Pionier*innen im E-Mobility-Carré überdimensioniert.

Lademanagement als Erfolgsgarant

Aus den Testszenarien des NETZlabors und den daraus abgeleiteten Erkenntnissen lassen sich folgende Punkte zusammenfassen:

  • Durch das Lademanagement kann die benötigte Anschlussleistung zum Laden der E-Fahrzeuge und somit die Belastung im Stromnetz erheblich reduziert werden
  • Der Batteriespeicher eignet sich ebenfalls zur Glättung von Leistungsspitzen, ist jedoch weniger effektiv als ein Lademanagementsystem
  • Der separate Netzanschluss ist für das Ladeverhalten der E-Pionier*innen im E-Mobility-Carré überdimensioniert

Aus der Umfrage lässt sich ableiten, dass sich die Mehrheit der E-Pionier*innen in ihrer E-Mobilität nicht eingeschränkt fühlt.

E-Pionierin

Anja Ziegler

„Die Mobilität wird und muss sich verändern. Das NETZlabor setzt sich genau mit dieser Thematik auseinander. Daher finde ich es sehr spannend, gleich von Anfang an dabei zu sein und mich als E-Pionierin bezeichnen zu dürfen.“

E-Pionier

Sebastian Weik

„Die Dynamik der Netze für die Elektrifizierung der Mobilität zu testen, ist für mich als Entwickler von E-Fahrzeugen eine Herzensangelegenheit, die mir sehr viel Freude bereitet. Bereits nach der kurzen Projektlaufzeit ist zu erkennen, dass ein Großteil der Fahrten durch das effiziente Lademanagement zu Hause ohne DC-Schnellladen möglich ist.“

E-Pionier

Hans-Peter Willmann

„Die anfängliche Skepsis gegenüber der Elektromobilität hat sich während des Projekts in eine hohe Akzeptanz verwandelt. Ich wünsche jedem die Chance, bei einem Projekt wie dem NETZlabor E-Mobility-Carré mitmachen zu dürfen. Die Teilnahme am Projekt hat mich dazu motiviert, auf Elektromobilität umzusteigen und mir ein E-Auto zu kaufen.“

Impressionen aus dem NETZlabor E-Mobility-Carré

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Wohnanlage Pura Vida in Tamm

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Alltag mit Elektromobilität

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Alltag mit Elektromobilität

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Starten der Ladeeinrichtung am Terminal

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E-Autos für das E-Mobility-Carré

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Laden in der Tiefgarage

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Dynamik in der Tiefgarage

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Elektroverteilung, Ladeinfrastruktur und Batteriespeicher

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Ladepunkt

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Ortsnetzstation mit separatem Netzanschluss

16 Monate unter Strom – die Projektergebnisse

Welche technischen Lösungsansätze das größte Potential für eine optimale Integration der Elektromobilität in die bestehende Netzinfrastruktur bei Mehrfamilienhäusern aufweisen und welche Überraschungen wir bei der Beobachtung der maximalen Gleichzeitigkeit erlebt haben, verraten wir in unserem Abschlussbericht. Freuen Sie sich auf spannende und exklusive Erkenntnisse aus unserem NETZlabor.

Haben Sie weitere Fragen?

Antworten zu den häufigsten Fragen finden Sie in unserem FAQ-Bereich.

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