Ladeleistung für das Elektroauto

Elektroauto an der Ladestation

E-Mobilität auf dem Vormarsch: Mit Solarstrom das Elektroauto tanken

Mit einem Anteil von knapp 20% ist der Verkehrssektor der drittgrößte Verursacher von Treibhausgasen in Deutschland, wobei der klare Löwenanteil auf den Straßenverkehr zurückzuführen ist. Nicht zuletzt, um die von der Bundesregierung gesteckten Klimaziele zu erreichen, wird hier eine konsequente Neuausrichtung nötig sein. Mobilität muss und wird neu gedacht werden. Eine, wenn nicht die Schlüsselrolle spielt hierbei die Weiterentwicklung und Förderung der Elektromobilität. Durch die Verwendung von Strom als Energieträger können unterschiedliche regenerative Energiequellen, wie beispielsweise eine Photovoltaikanlage, zur Versorgung der Fahrzeuge nutzbar gemacht werden. Dies ermöglicht eine CO2-freie Fortbewegung und schafft Unabhängigkeit gegenüber steigenden Ölpreisen.

Ladelösungen für Elektroautos

Wie bei den fossilen Brennstoffen gibt es auch im Bereich der Elektromobilität je nach der im Fahrzeug implementierten Technik unterschiedliche Tank- beziehungsweise Lademöglichkeiten. Allerdings gibt es hier noch ein paar mehr Besonderheiten. Über den Ladevorgang bestimmen grundlegend drei Komponenten: die Ladeleistung des Elektroautos, die Leistung der Ladestation und die entsprechende Anschluss- bzw. Steckertechnik, welche die beiden Komponenten verbindet. Da die Leistung der Fahrzeuge mit Blick auf Hersteller und Modell weit auseinander gehen, konzentrieren wir uns nachfolgend auf den größeren Einflussfaktor: die Ladetechnik.

Die Ladetechnik als größter Einflussfaktor

Beim Laden von Elektroautos wird grundsätzlich zwischen Gleichstrom (DC) und Wechselstrom (AC) unterschieden. Diese Unterscheidung ist wichtig, da hiervon die entsprechende Ausgestaltung der Ladesäule sowie deren Ladeleistung und Anschlusstechnik abhängen.

Während nahezu alle Energiequellen des täglichen Gebrauchs über Wechselstrom verfügen, der Akku in den Elektrofahrzeugen allerdings nur Gleichstrom aufnehmen kann, muss zuvor eine Umwandlung des Stromes stattfinden. Erfolgt diese Umrichtung direkt im Elektroauto (“On-Board”), so spricht man von AC-Laden. Wird dieser Prozess durch Gleichrichter in der Ladestation übernommen, handelt es sich um einen DC-Ladevorgang.

Normalladen mit Wechselstrom

Das Laden über Wechselstrom, auch „Normalladen“ genannt, eignet sich besonders dann, wenn eine kostengünstige und universell nutzbare Ladelösung benötigt wird. Da die Umrichtung des Stromes hier nicht durch einen separaten Transformator in der Ladestation, sondern direkt im Elektroauto (“On-Board”) stattfindet, können AC-Ladestationen von allen Elektroautos genutzt werden. Die Ladeleistungen liegen hierbei zwischen 3,7 Kilowattstunden und 43 Kilowattstunden und eignen sich besonders für den privaten Haushalt und halböffentlichen Bereich wie auf Firmenparkplätzen, in Parkhäusern oder vor Supermärkten.

Der europäische Standard-Stecker für AC-Ladungen ist der sogenannte Typ-2-Stecker, umgangssprachlich nach der an der Entwicklung maßgeblich beteiligten Firma auch „Mennekes“-Stecker genannt. Typ 2 leitet sich dabei aus der Norm IEC 62196-2 ab, welche für Wechselstromladungen drei Steckertypen definiert (Typ 1 = einphasige Ladung; Typ 2 = ein- und dreiphasige Ladung; Typ 3 = ein- und dreiphasige Ladung mit Shutter). Im Gegensatz zu herkömmlichen SchuKo-Steckdosen ist der Typ-2-Stecker auf eine große Zahl an Ladevorgängen mit dauerhaft hohen Strömen ausgelegt. Zusätzlich verbaute Pins ermöglichen die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladestation und regulieren die Bezugsleistung entsprechend Verfügbarkeit und Aufnahmefähigkeit.

Typen von Steckdosen beim Laden von Elektroautos

Für Fahrzeuge mit kleinerer Batteriekapazität kann beim AC-Laden alternativ auch auf die gewöhnliche Haushalts-Steckdose oder CEE-Steckdose (Drehstrom) zurückgegriffen werden.

Schnellladen mit Gleichstrom (DC)

Um ein Fahrzeug möglichst schnell wieder zu beladen, wird anstelle des Wechselstroms Gleichstrom verwendet, da dieser deutlich höhere Ladegeschwindigkeiten zulässt. Die nötige Umrichtung des Stromes wird hierbei nicht mehr im Fahrzeug selbst vorgenommen, stattdessen wird der teure und schwere Gleichrichter sowie die Leistungselektronik in die Ladestation ausgelagert. Nach aktuellem Stand sind bereits heute Ladeleistungen bis zu 350 Kilowatt verfügbar. Die entsprechenden Steckertypen sind der CCS-Stecker für europäische bzw. amerikanische und der CHAdeMo-Stecker für asiatische Fahrzeuge.

Der CCS-Stecker ist im Prinzip eine Erweiterung des oben genannten Typ-2-Steckers (AC) um zwei Pole für die Schnellladung. Während diese beiden zusätzlichen Pole ausschließlich für den Stromfluss verantwortlich sind, dient der bereits bekannte (obere) Teil des Typ-2-Steckers weiterhin der Kommunikation und Sicherheit.

CHAdeMo ist ein Akronym für „CHArge de Move“ und stellt sozusagen das asiatische Gegenstück zum europäischen CCS-Stecker dar. Im Gegensatz zum europäischen Standard ermöglicht dieser die bidirektionale Ladung, das heißt es kann Energie aus dem Fahrzeug rückgespeist werden (“Vehicle-to-Grid”), beispielsweise zur Notstromversorgung.

Als ein Vorreiter der Elektromobilität hat Tesla mit dem Supercharger ein eigenes System entwickelt, bei dem mit bis zu 120 kW (DC) geladen werden kann. Installation und Betreuung erfolgen dabei in Eigenregie des US-amerikanischen Herstellers und auch die Ladebefugnis ist den eigenen Fahrzeugen vorbehalten. Markenfremde Fahrzeuge können an sogenannte „Destination Chargers“ geladen werden, welche vorwiegend an Hotels, Supermärkten oder Restaurants vorzufinden sind und über eine geringere Leistung verfügen. Als Steckverbindung greift Tesla auf den verbreiteten Typ-2-Stecker zurück. Ein Pro: Dadurch wird das Laden sowohl an den gängigen europäischen Ladesäulen als auch – durch eine andere Belegung der Kontaktstifte –an den Tesla-Superchargern ermöglicht.

Steckertypen von Elektroautos

AC oder DC – auf die Ladeleistung kommt es an

Unabhängig ob nun AC oder DC – zur Anschlusstechnik zählen neben der erwähnten Steckverbindungen natürlich auch die entsprechenden Kabel. Neben Signalisierungseinrichtungen zur Steuerung des Ladestroms und der Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladestation unterscheiden sich die jeweiligen Kabel hauptsächlich darin, ob Kabel und Stecker fest am Fahrzeug, beidseitig gesteckt oder fest an der Ladesäule installiert sind. Je nach Ausführung ist die entsprechende Ladesäule zu wählen.

CSS and CHAdeMO
Zwei auf Gleichstrom basierende Steckertypen, die schon heute an Tankstellen anzutreffen sind: CCS und CHAdeMo. Foto: Frank Urbansky

Entscheidend für die Auswahl der richtigen Ladelösung sind vor allem zwei Faktoren: die Leistungsdaten der Batterietechnik und – da vor allem im gewerblichen Umfeld unterschiedliche Fahrzeuge an den Ladestationen betankt werden müssen – der Einsatzzweck bzw. die Verweildauer der zu beladenden E-Fahrzeuge.

Ausgehend von einer unkritischen Ladedauer kann aus kostentechnischer Sicht beim Ladevorgang eines Fahrzeuges auf die „klassische“ Haushaltssteckdose (AC, 1-phasig, 230 V) oder eine einfache Wallbox (11-22 kW) zurückgegriffen werden. Trotz der hiermit verbundenen längeren Standzeiten der Fahrzeuge findet diese Lösung vor allem aus wirtschaftlicher Betrachtung im privaten Bereich ihre Anwendung. Auch Drehstromanschlüsse (AC, 3-phasig, 400 V) kommen hierfür in Frage.

Schnelladesäule mit CHAdeMo, CSS und Typ 2
Schnellladesäule mit fest verbundenen Kabeln und Steckern, hier CHAdeMo, CSS und Typ 2 (von links). Foto: Frank Urbansky

Im Falle leistungsstärkerer Motoren, die zumeist über größere Batterie-Kapazitäten verfügen und zudem schnell wieder einsatzbereit sein sollen, gestaltet sich der Einsatz von Normal- (22 kW) bzw. Schnelladesäulen (50 kW) bis hin zu Ultraschnellladestationen (150-350 kW) als sinnvoll. Auch hier entscheidet letztlich die Verweildauer der Fahrzeuge über die Auswahl der Ladestation. Für Ladevorgänge eines Firmenwagens während der Arbeitszeit oder eines Service- oder Einsatzfahrzeuges, welches über Nacht auf dem Betriebshof geladen wird, ist der Einsatz von Normalladestationen mit 22 kW sicherlich ausreichend und angebracht.

Schnell- oder Ultraschnelllader hingegen sind immer dann notwendig, wenn die benötigte Energie in kürzester Zeit übertragen werden soll. Aufgrund der hohen Ladeleistungen stehen die zu ladenden Fahrzeuge oftmals bereits nach einer kurzen Kaffeepause wieder zur Verfügung. Diese Technik eignet sich daher besonders für Ladevorgänge an Raststätten, für Vorführfahrzeuge in Autohäusern oder Besucherparkplätzen auf dem Firmengelände. Auch auf Kundenparkplätzen mit tendenziell kurzer Verweildauer (Supermärkte, Behörden, usw.) ist eine Schnelladesäule sinnvoll.

Da die dafür nötige Umwandlung des Stromes über zusätzliche Hardware direkt in der Ladestation stattfindet und zudem höhere Ströme verarbeitet und ggf. gekühlt werden müssen, ist im Vergleich zu Normalladestationen hier mit einer höheren Investition zu rechnen.

Hier eine Übersicht über die verschiedenen in Europa gebräuchlichen Lademöglichkeiten:

Stromquelle Leistung in kW AC/DC
Haushaltssteckdose 2,3 AC
Drehstrom Steckdose 16 Ampere 11 AC
Drehstrom Steckdose 32 Ampere 32 AC
Typ 2 (Mennekes-Stecker) 11, 22, 43 AC
CCS Combo 2 50* DC
CHAdeMO 22, 50* DC
Tesla Supercharger 135* DC

* Spannung und Stromstärke sind hier durch die fahrzeugseitige Installation vorgegeben.

Bei SENS kann jedes Elektroauto Strom tanken

Für die Mitarbeiter und Kunden der STEAG Solar Energy Solutions GmbH stehen 80 Parkplätze zu Verfügung. Vier davon sind für Elektroautos reserviert. Auf dem Firmengebäude wurde eine 10-kWp PV-Anlage mit einer 15°-Süd-Ausrichtung installiert, die im Sommer nahezu den kompletten Strombedarf der Elektroautos abdeckt.

Charging station at SENS parking lot
Die Ladesäule auf dem Firmenparkplatz von SENS in Betrieb. Foto: Dominik Marx

Derzeit finden sich an den Parkplätzen zwei Ladestationen mit je 22 Kilowatt Leistung und jeweils zwei Ladepunkten pro Station. Somit können gleichzeitig vier Elektroautos geladen werden. Tritt dieser Fall ein, sorgt ein Lastmanagement für eine optimierte Stromverteilung auf jedes Elektroauto. Geht man von einer durchschnittlichen Arbeitszeit von acht Stunden und somit einer unkritischen Ladedauer aus, so reichen, wie oben aufgezeigt, die 22-kW-Säulen hier vollkommen aus. Neben den Mitarbeitern stehen die Ladestationen auch den Kunden kostenfrei zur Verfügung. Somit kann ein Mehrwert sowohl für die Belegschaft als auch für Geschäftspartner geschaffen werden.

Die Kombination von Normal- und Schnellladesäule bietet Vorteile

Die tägliche Praxis zeigt, dass eine Kombination von Normal- und Schnellladesäulen oftmals die sinnvollste Lösung darstellt. Dabei sollte vor allem auf die entsprechende Stecker- bzw. Kabelvielfalt geachtet werden. Zwar gilt der Typ-2-Stecker in Europa als Norm, dennoch werden verschiedene E-Mobilitätshersteller weiter auf ihren eigenen Standard setzen. Letztlich geht es um den Wunsch des Kunden, aber auch der eigenen Mitarbeiter. Sie müssen die Lademöglichkeit bekommen, die sie brauchen.

Beitragsbild: Shutterstock/moreimages

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