E-Mobility-Regler sorgt für Entspannung bei der Stromversorgung von Elektroautos

Der BTC | GRID Agent für E-Mobility, der im Feld- oder im Netzleitsystem verbaut wird, balanciert die Stromlasten so aus, dass es zu keiner Überlast im Stromnetz kommt. Ein Simulationsprojekt von BTC untersuchte in einem gut ausgebauten Netzgebiet der EWE NETZ, ob der Netzregler von BTC hält, was er verspricht. Dafür baute Lutz Lehmann von BTC auf Basis realer Verbrauchsdaten sowie den Infrastrukturinformationen aus einem Wohnquartier mit 25 Haushalten ein Simulationsszenario auf. Innerhalb dieses Szenarios konnte das BTC-Team testen, wieviel E-Fahrzeuge das Netz problemlos verkraftet und wie der E-Mobility-Regler hilft, Überlastungssituationen zu entschärfen.

Das positive Ergebnis: Wenn knapp die Hälfte der 25 Haushalte eines Netzgebiets ein E-Auto fährt und es in der Privatgarage in den Abendstunden auflädt, sind die Fahrzeuge nach drei Stunden 100-prozentig geladen. Erst ab dem elften E-Auto mit 22 KW-Leistungsaufnahme kommt es zu einem kleinen Leistungsabfall, sodass es ein wenig länger dauert, bis alle Autos aufgeladen sind (siehe Abbildung 1).

Das Prinzip des BTC | Grid Agent ist es, die Leistungsaufnahme an einem Ladepunkt und die vorhandene Netzkapazität auszubalancieren. Das heißt: Wollen alle 25 Haushalte ihre E-Fahrzeuge gleichzeitig aufladen, drosselt der Regler die Leistungsaufnahme so, dass zwar alle angeschlossenen Autos Strom bekommen, es aber länger dauert, bis die Akkus vollgeladen sind. „Eine solche marginale Herabregelung des Stroms ist verkraftbar, vor allem wenn man bedenkt, dass es nicht so schnell dazu kommen wird, dass jeder Haushalt ein E-Auto fährt“, erläutert Dr.-Ing. Bernd Hillers von BTC und betont: „Die Maßnahme, die Ladeleistung herunterzuregeln, hilft einem Netzbetreiber, die Herausforderung der E-Mobility zu meistern.“

„Damit verringert sich die Sorge, dass zu viele E-Autos die Netzstabilität hinsichtlich einer Überlastung gefährden könnten“, sagt Lutz Lehmann und ergänzt: „Es entfällt auch das Muss, das Leitungsnetz schnell auszubauen. Das heißt, der Netzregler hebt vorhandene Effizienzen im Stromnetz, sodass der klassische Netzausbau nicht sofort angepackt werden muss.“

Details des Simulationsprojekts der BTC

In dem betrachteten Niederspannungsnetz ist eine 250-kVA-Ortsnetzstation verbaut, die für die Versorgung von 25 Haushalten zuständig ist. Im Netzgebiet existiert bis dato keine Ladeinfrastruktur für E-Fahrzeuge. Für die Simulation wurde angenommen, dass sämtliche 25 Haushalte einen 22-kW-Ladepunkt besitzen. Diese Ladegeschwindigkeit versteht sich als Schwellenwert, der maximal in einem Niederspannungsnetz bedient werden kann. Eine solche Ladeleistung wird von einigen am Markt erhältlichen Fahrzeugmodellen beim Laden mit Wechselstrom (AC-Laden) erreicht; die meisten Modelle bewegen sich im einstelligen Kilowattbereich. Des Weiteren wurde eine Akkukapazität von 40 kWh bei den Elektrofahrzeugen angenommen. Im Benchmark mit den aktuellen E-Fahrzeugen ist dies ein Wert im oberen Mittelfeld, der eine Reichweite von ca. 400 km gemäß NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) erlaubt.

Im Rahmen der Simulation wurden verschiedene Szenarien untersucht. Im sogenannten Worst-Case-Szenario wurde eine 100-prozentige E-Fahrzeugquote angenommen, d. h. jeder Haushalt im Netzgebiet verfügt über ein E-Fahrzeug. Die Ladevorgänge beginnen um 17 Uhr mit einem Akkufüllstand von 0 Prozent. In Abbildung 1 werden die Ergebnisse grafisch dargestellt, indem der Akkufüllstand nach dem Ladevorgang in Abhängigkeit zur Ladedauer skizziert wird. Der Netzregler beginnt aufgrund spannungsbedingter Engpässe im betrachteten Netzgebiet ab fünf Fahrzeugen in den Ladevorgang einzugreifen. In Abbildung 1 wird deutlich, dass sich ein Regeleingriff bzw. eine Reduktion der Ladeleistung verzögert auf den Akkufüllstand auswirkt, da erst ab dem elften Fahrzeug der Akku nicht vollständig geladen wird.

Nach einer Ladedauer von vier Stunden erreichen 25 Fahrzeuge 50 Prozent der Nennakkukapazität, mit der eine Wegstrecke von rund 150 km zurückgelegt werden kann. Werden gleichzeitig 15 E-Fahrzeuge geladen, wird ein Akkustand von 84 Prozent erreicht. Bereits nach fünf Stunden Ladedauer ist der Akku im Worst Case wieder voll, wenn 15 Haushalte im Wohngebiet ein E-Fahrzeug besitzen und gleichzeitig laden. Besitzt tatsächlich jeder Haushalt ein E-Auto und alle hängen – im Worst Case – gleichzeitig am Netz, dauert es sechs Stunden bis jedes Auto zu 76 Prozent geladen ist. Um alle Autos im Worst Case zu 100 Prozent aufzuladen, sind 7,5 Stunden notwendig.

BTC | GRID Agent E-Mobility Netzregler

Der IT-basierte BTC | GRID Agent Netzregler für E-Mobility kann herstellerunabhängig eingesetzt werden und erkennt kritische Situationen in der Ladesäulen-Infrastruktur. Wenn es zu Lastspitzen kommt, greift er steuernd ein. Auch Regelungsaufgaben, wie etwa Spannungsbandregelungen oder das Blindleistungsmanagement, kann der Regler übernehmen, da er optional über ein integriertes Netzmodell sowie über Netzberechnungsfähigkeiten verfügt.