Stromtankstelle

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Ladesäule mit Typ-2 (AC), CCS-Combo-2 (DC) und CHAdeMO (DC)-Anschlüssen

Als Stromtankstelle wird eine Lademöglichkeit für Elektrofahrzeuge bezeichnet. Der Begriff im Umfeld der Elektromobilität ist abgeleitet von der Tankstelle, an der Fahrzeuge mit flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffen befüllt werden. Technisch gesehen handelt es sich dabei um eine Ladestation, aufgrund der vorherrschenden Bauweise wird oft auch von Ladesäule oder in administrativen Dokumenten von Ladepunkten gesprochen. Ein Stromtankstelle kann dabei auch aus einer Ansammlung von Ladesäulen bzw. -punkten bestehen.

Stromtankstellen können öffentlich oder nichtöffentlich zugänglich sein und bestehen im einfachsten Fall aus einer Steckdose, an welcher das Fahrzeug über eine Kabelverbindung und ein Ladegerät aufgeladen werden kann (konduktives Ladesystem für Elektrofahrzeuge laut DIN EN61851-1). Es gibt kostenpflichtige, kostenlose und von Vereinen für ihre Mitglieder betriebene Stromtankstellen.

Von der EU wurde der Typ-2-Stecker als Standard-Ladesteckverbindung für Wechselstrom und Drehstromanschluss festgeschrieben. Als Standard für das Schnellladen mit Gleichstrom wird in der EU das Combined Charging System (CCS) eingeführt und in Deutschland von Wirtschaft und Politik gefördert. Andere in Europa verbreitete Gleichstrom-Schnellladesysteme sind der aus Japan kommende CHAdeMO-Standard und das von Tesla Motors betriebene Tesla-Superlader-System.

Bei einer Stromtankstelle als Solartankstelle ist der Betreiber zusätzlich dafür verantwortlich, dass die bezogene elektrische Energie in ihrer Herkunft direkt zur Sonne zurückverfolgt werden kann, beispielsweise mit Hilfe einer Solarstromanlage.

Ausbaustand[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Stromtankstelle für Elektrofahrräder
Ladestation in Aachen

Das Netz von öffentlich zugänglichen Ladestellen für Elektrofahrzeuge wächst stetig. In Deutschland existieren in einigen Regionen bereits relativ dichte Stromtankstellennetze (z.B. Stuttgart [1]). Viele davon sind kostenlos. In Deutschland stehen den 18.948 rein batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen (Stand 1. Januar 2015)[2] mehr als 6000 öffentlich zugängliche Stromtankstellen mit mehr als 18.000 Ladepunkten gegenüber. Etwa die Hälfte davon sind Wechselstromtankstellen (AC) vom Typ 2 mit 11 kW (2000 Ladepunkte) oder 22 kW (6000 Ladepunkte). Schnelles Gleichstromtanken (DC): CCS und Tesla Supercharger haben jeweils 400 Ladepunkte, Chademo etwa 300 Ladepunkte (Stand: Juni 2016).[3][4]

Die Europäische Union förderte mit etwa 3,6 Millionen Euro aus dem Verkehrsförderprogramm Transeuropäische Netze (TEN-T) den Aufbau von Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge entlang der wichtigsten Autobahnen zwischen Deutschland (67), Dänemark (23), Niederlande (30) und Schweden (35 Ladestationen).[5][6] Es wird als ein offen zugängliches Netz von Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge errichtet. Die Gesamtkosten betragen etwa 7,1 Millionen. Der Ausbau soll bis Ende 2015 abgeschlossen sein.[veraltet] Durch diese neuen Schnellladestationen soll dazu beigetragen werden, den Ausbau des Elektrofahrzeugverkehrs in Nordeuropa zu beschleunigen.[7] Zu den Begünstigten zählen: ABB, Fastned, Clever, Öresundskraft und die VDE Prüf- und Zertifizierungsinstitut GmbH.

Der Elektroautohersteller Tesla Motors baut in den von ihm belieferten Märkten ein eigenes Stromtankstellensystem exklusiv für seine Fahrzeugkunden auf. Dabei werden an Hauptverkehrsrouten, häufig auf Tank- und Rasthöfen, Stationen mit mehreren Ladesäulen errichtet, so dass vier und mehr Fahrzeuge parallel geladen werden können. Hohe Ladeleistungen ermöglichen dort kurze Ladestopps.

Herausforderungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Reisen mit Elektrofahrzeugen erfordern eine entsprechende Ladeplanung. Neben den Reichweitengrenzen der Elektroautos behindern vor allem unterschiedliche Zugangsvoraussetzungen das einfache Aufladen. Viele Ladestellen erfordern eine vorherige Anmeldung beim Betreiber oder Betreibernetzwerk oder sind nicht rund um die Uhr zugänglich. Auch die verfügbaren Anschlüsse und Steckersysteme vor Ort gilt es zu berücksichtigen, jedoch soll dies mit der Ladesäulenverordnung vereinheitlicht werden. Weiterhin wirken sich die maximale Leistungsfähigkeiten der Ladestellen unmittelbar auf die Ladezeiten aus.

Technik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wechselstrom-, Drehstrom- und Gleichstromladen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Akkumulatorzellen werden grundsätzlich mit Gleichstrom geladen. Der Begriff des Gleichstrom- und Wechselstromladens beschreibt, in welcher Form der Strom in das Fahrzeug eingespeist wird.

Beim Wechselstromladen wird das Elektroauto je nach Ausführung einphasig über eine In-Kabel Kontrollbox (ICCB) oder direkt über ein Ladekabel mit einer Haushaltssteckdose (Schukosteckdose) und damit mit dem Stromnetz verbunden. Damit lassen sich lediglich Ladeleistungen <3,6 kW dauerhaft übertragen. Über 16-A-CEE-Steckdosen oder über eine Wandladestation mit Typ-2-Stecker können dauerhaft 3,6 kW bis 7,2 kW übertragen werden. Für die 7,2-kW-Version sind jedoch die entsprechenden installations- und fahrzeugseitigen Voraussetzungen notwendig. Je nach Anbieter wird das Wechselstromladen mit bis zu 3,6 kW als „Standardladung“ oder „Notladung“ bezeichnet. Das Ladegerät ist im Fahrzeug integriert. Die Bordladegeräte in einigen Elektroautos sind teilweise in ihrer Leistung auf das Aufladen an haushaltsüblichen Steckdosen (3,6 kW) begrenzt und nicht in der Lage dreiphasig zu laden, was dann zu entsprechend langen Ladezeiten führt und auch an leistungsfähigeren Drehstrom- oder Wechselstrom-Ladestellen keinen Zeitgewinn ermöglicht. Fahrzeuge mit dem Typ-1-Ladesteckanschluss laden darüber ausschließlich einphasig.

Bei der Drehstromladung wird das Fahrzeug an das Dreiphasenwechselstromnetz mittels ICCB-Kabel an einer 400-V-Drehstromsteckdose oder über ein Ladekabel mit einer Ladestation verbunden. Das Kabel für Ladestationen wird entweder im Fahrzeug mitgebracht und beidseitig mit einem Typ-2-Stecker ausgestattet oder mit einer Seite fest an der Ladesäule montiert. An Bord des Fahrzeugs befindet sich ein Ladegerät, das den Dreiphasenwechselstrom aus dem Stromverteilnetz gleichrichtet, und mit dem Batteriemanagementsystem die Regelungsfunktionen (Ladeverfahren) übernimmt. Über das Ladekabel wird dem Fahrzeug die Belastbarkeit des Ladekabels und der Ladestation mitgeteilt. Bei Steckdosen übernimmt das ICCB-Kabel diese Funktion. Wenn notwendig, begrenzt das Ladegerät im Fahrzeug dann den Strom, um die Zuleitungen und Absicherungen nicht zu überlasten. Der Lader selbst kann dabei als Extragerät im Fahrzeug eingebaut sein (Smart ED oder Tesla Model S mit bis zu 22 kW) oder als Teil der vorhandenen Motorsteuerung fungieren (Renault Zoe bis 43 kW).

Beim Gleichstromladen wird Gleichstrom aus der Ladesäule direkt in das Fahrzeug eingespeist. Er kann extern durch einen leistungsstarken Gleichrichter in der Ladesäule aus dem Stromnetz, oder zukünftig durch entsprechend große Pufferakkus an Solartankstellen bereitgestellt werden. Im Fahrzeug selbst befindet sich nur ein Batteriemanagementsystem, das in der Lage ist, mit der Ladesäule zu kommunizieren. So wird beispielsweise signalisiert, die Stromstärke zu begrenzen oder bei vollem Akku abzuschalten. Die verschiedenen Gleichstromschnellladesysteme basieren auf der gleichen Technologie. Lediglich Steckerformen und Kommunikation sind verschieden. Die zugehörige Leistungselektronik befindet sich in der Ladesäule und kann daher im Fahrzeug eingespart werden. Da sich die Gleichstromladesäule aber auf die verschiedensten Traktionsbatterien einstellen lassen muss, sind diese Ladesäulen sehr teuer. Da die Gleichstromanschlüsse direkt mit den Anschlüssen des Fahrzeugakkus verbunden werden, können verlustarm sehr hohe Ladeströme und Ladeleistungen übertragen werden, was kurze Ladezeiten ermöglicht. Voraussetzung dafür ist jedoch eine entsprechende Leistungsfähigkeit der Ladesäule im Bereich von 50 bis 150 Kilowatt und eine entsprechend hohe Aufnahmefähigkeit der fahrzeugseitigen Batterie. Die Gleichstromschnellladung erhöht den Nutzwert des Fahrzeugs vor allem bei längeren Fahrten durch die Verkürzung der Ladezeit. Während bei asiatischen Elektroautos der CHAdeMO-Anschluss standardmäßig am Fahrzeug integriert ist und auch der Tesla-Supercharger-Anschluss Standard am Fahrzeug ist, bieten die Hersteller von Autos mit CCS-Schnellladung derzeit (2015) diese Fähigkeit nur als kostenpflichtige Zusatzausstattung zu Aufpreisen im drei- bis vierstelligen Bereich an.

Stecker und Kabel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Art der Verbindung zwischen Fahrzeug und Ladestation[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In der Norm IEC 61851-1 werden drei Arten unterschieden, wie Ladestation und Fahrzeug verbunden sein können. Unterschieden werden drei Anwendungsfälle:[8]

  • A: Das Kabel ist fest mit dem Fahrzeug verbunden.
  • B: Das Kabel ist beidseitig gesteckt.
  • C: Das Kabel ist fest mit der Ladestation verbunden.

Weiterhin wurden in der IEC 61851 vier verschiedene Lademodi definiert. In Mode 1 werden normale Kabel mit entsprechenden Steckern verwendet. Mode 2 nutzt Kabel, die über Signalisierungseinrichtungen (Widerstandscodierungen) verfügen, die der fahrzeugseitigen Ladeelektronik die Strombegrenzung der Ladestelle vorgeben. Bei Mode 3 kommunizieren Ladesäule und Fahrzeug über das Ladekabel. Mode 4 ist für Gleichstromladeverfahren, bei denen ebenfalls eine Kommunikation zwischen Fahrzeug- und Ladesäulenelektronik stattfindet.

Haushalts- und Industrieanschlüsse[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

3-ph-Tankstelle Park & Charge mit Schuko- und CEE-Steckdosen

Kleinelektromobile laden in der Regel nur geringe Energiemengen. Nicht zuletzt durch die Leistungsbegrenzung der Ladegeräte reichen für Elektrofahrräder beispielsweise haushaltsübliche Schuko-Steckdosen. Zusätzlich können die Akkus entnommen und an Steckdosen in Innenräumen aufgeladen werden oder es wird ein Verlängerungskabel nach draußen verlegt. Dies ist die einfachste Form einer „Stromtankstelle für Elektrofahrzeuge“.

Ohne aufwendige Technik und mit einfachsten organisatorischen Maßnahmen wie der pauschalen Verrechnung der bezogenen Energie können die Kosten bei nicht-kommerziellen Stromtankstellen niedrig gehalten werden. Die derzeit häufigsten Systeme sind private Außensteckdosen mit Wechselstrom- oder Drehstromanschlüssen, wie bei den Verbünden Park & Charge und „Drehstromnetz“. Die Stecker und Kabel entsprechen den Normen für elektrische Geräte IEC 60309/CEE.

Typ 1 und Combo 1[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Typ-1-Ladestecker

In Nordamerika wurde der Standard SAE J1772 aus dem Jahr 2001 überarbeitet (es war ursprünglich ein eckiger Stecker für Flur- und Hubwagen). Die nordamerikanischen Autohersteller einigten sich auf den mit der SAE J1772-2009 auf den Yazaki-Vorschlag. Dieser wurde später in der internationalen Norm IEC 62196-2 als Typ 1 bezeichnet. Es handelt sich um einen fünfpoligen runden Stecker mit 43 mm Durchmesser, der für den Anschluss an Einphasen-Wechselstrom gedacht ist. Dabei enthält die Spezifikation Vorgaben für den Anschluss an den in Nordamerika üblichen 120-Volt-Haushaltsstrom (Level 1 spezifizierter Ladestrom bis 16 Ampere bei maximal 120 Volt) als auch den in Europa üblichen 230-Volt-Haushaltstrom (Level 2 spezifizierter Ladestrom bis 80 Ampere bei maximal 230 Volt). Der Steckertyp hat fünf Steckkontakte – zwei Kontakte für einphasigen Wechselstrom, eine Erdung, und zwei Signalkontakte, die kompatibel mit den Signalkontakten sind, wie sie schon 2001 definiert wurden. Später wurde dieser Stecker unter dem Begriff des Combined Charging Systems mit Gleichstromkontakten zum Combo-1-Stecker erweitert. Typ 1 und Combo 1 sind auf dem nordamerikanischen Markt eingeführt. Auch viele japanische Fahrzeuge verwenden den Typ-1-Stecker für das Wechselstromladen.

Typ 2 und Combo 2[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Typ-2-Ladestecker
Combo 2: Gleichstrom-CCS-Stecker

Für Europa wurde erst 2013 für mit dem Standard EN 62196 Typ 2 (auch Mennekes-Stecker genannt) ein universelles Steckersystem für Elektroautos im Lade-Leistungsumfang von 1,9 kW bis 240 kW spezifiziert. Durch die späte Entscheidungsfindung der EU waren in Europa bereits verschiedene, jeweils im Herstellerland des Fahrzeuges favorisierte, Ladestandards verwendet worden.

Der unter Federführung des Stecker-Herstellers Mennekes entworfene und von mehreren europäischen Automobilherstellern und Stromkonzernen unterstützte Ladestandard EN 62196 Typ 2 ermöglicht am CP-Pin des Steckers einen bidirektionalen Kommunikationskanal zwischen Fahrzeug und Stromtankstelle. Mittels CP-Signal kann die Ladesäule die vom Elektroauto unterstützte Ladeleistung vom Fahrzeug auslesen. Sofern dann an einem Stromtankstellen-Standort sich mehrere Ladesäulen einen einzigen Energieanschluss teilen, kann ein zentrales Tankstellen-Lastmanagement per Pulsweitenmodulation (per CP-Pin) die Ladeleistung der in den Fahrzeugen verbauten Ladegeräte (Mode 1–3) derart reduzieren, dass die Gesamtladeleistung aller an der Stromtankstelle angeschlossenen Fahrzeuge die maximale Energieanschlussleistung der Tankstellenanlage nicht übersteigt. Die Ladedauer kann daher variieren, wenn sich mehrere Fahrzeuge eine Tankstellenanlage teilen.

Typ 2 ist der in Europa am weitesten verbreitete Ladestationentypus.[9]

Combo 2[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Hauptartikel: Combined Charging System

Dient Typ 2 meist nur zur Aufladung mit Wechselstrom, hat man für die Aufladung mit Gleichstrom den Stecker Typ 2 zu Combo 2 (CCS) erweitert. Der ebenso wie der Typ 1 aus dem Typ 2 entwickelte CCS-Stecker ist in Europa für das Gleichstromladen eingeführt wurden. Es gibt bislang (Stand 2016) nur drei Fahrzeugmodelle, die CCS und dann auch nur als Sonderausstattung anbieten (s. Fahrzeugliste mit CCS). Allerdings demonstriert Tesla mit seinen Superchargern, dass man den Typ 2 Stecker auch für Gleichstromaufladung bis 135 kW nutzen kann.

CHAdeMo[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

CHAdeMO-Ladestecker
Hauptartikel: CHAdeMO

CHAdeMO ist der Handelsname einer in Japan entwickelten auf Gleichspannung basierenden Schnittstelle, um Elektrofahrzeuge oder Plug-In-Hybrid-Fahrzeugs direkt mit einer hohen elektrischen Leistung zu laden. Die typische Ausbaustufe der Ladesäulen und damit die größte Verbreitung haben CHAdeMO-Ladesäulen mit einer Ladeleistung bis 50 kW. Auch in Europa wurde ein Ladenetz etabliert. CHAdeMo-Stecker sind in der Regel über das Anschlusskabel fest mit der Ladesäule verbunden. CHAdeMO-Anschlüsse finden sich vor allem an Fahrzeugen aus asiatischer Produktion. Häufig besitzen diese Fahrzeuge auch noch zusätzlich einen Ladeanschluss für das Wechselstromladen. Oft kommt dabei der Typ-1-Stecker dafür zur Anwendung. Es gibt heute (Stand 2016) viele Fahrzeugmodelle, die Chademo und dann oft in der Basisversion anbieten (s. Fahrzeugliste mit Chademo). Zudem sind weltweit Ladesäulen mit Chademo sehr verbreitet (s. Verbreitung von Chademo).

Tesla Supercharger[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Tesla Supercharger
Proprietäre Stromtankstelle von Tesla Motors in Delaware (USA)

Tesla nutzt den Typ-2-Stecker als Schnittstelle für das Laden seiner europäischen Fahrzeuge. Diese Steckverbindung ermöglicht sowohl das ein- oder dreiphasige Laden an normalen Typ-2-Ladestationen als auch das Realisieren von Leistungen bis zu 135 kW mit einem ausschließlich für Tesla-Fahrzeuge eingesetzten Gleichstromladeverfahren an den so genannten Tesla-Superchargern. An diesen Stationen sind Kabel und Stecker fest mit der Ladesäule verbunden.

China[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In China wird als Ladestecker beim Standard GB/T 20234.2 eine Steckverbindung genutzt, die von ihrem mechanischen Aufbau der Typ-2-Steckverbindung entspricht. Im Gegensatz zum europäischen System sind jedoch „Stecker“ und „Buchse“ vertauscht. Ein Gleichstrom-Ladestandard wurde noch nicht definiert.

Ladeanschlüsse Übersicht[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die folgende Tabelle zeigt typische Stromquellen und deren Anschlüsse, die zum Aufladen von Elektrofahrzeugen genutzt werden.

Stromquelle Spannung/Strom/max. Leistungsabgabe AC/DC weitere Ladetechnik
Haushaltssteckdose Schuko einphasig 230 V/10 A/2,3 kW AC ICCB-Kabel mit passendem Stecker oder Direktanschluss im Fahrzeug; Schuko ist nur für kurzzeitige 16-A-Belastung geeignet
Steckdose Camping ("blau") einphasig 230 V/16 A/3,6 kW AC ICCB-Kabel mit passendem Fahrzeugstecker und entsprechendes Ladegerät im Fahrzeug
Steckdose CEE 16 A dreiphasig 400 V/16 A/11 kW AC (mobile) Wandladestation oder ICCB-Kabel mit passendem Fahrzeugstecker und entsprechendes Ladegerät im Fahrzeug
Steckdose CEE 32 A dreiphasig 400 V/32 A/22 kW AC (mobile) Wandladestation oder ICCB-Kabel mit passendem Fahrzeugstecker und entsprechendes Ladegerät im Fahrzeug
Steckdose CEE 64 A dreiphasig 400 V/63 A/43 kW AC (mobile) Wandladestation oder ICCB-Kabel mit passendem Fahrzeugstecker und entsprechendes Ladegerät im Fahrzeug
Ladestation Typ 1 stationsabhängig/typisch: 240 V/16 A/3,8 kW – 240 V/24 A/5,8 kW – 240 V/30 A/7,2 kW AC Typ-1-Ladeanschluss fahrzeugseitig und Bordladegerät mit entsprechender Leistungsaufnahme (noch nicht realisiert: 240 V/80 A)
Ladestation Typ 2 stationsabhängig/typisch: 3,6/11/22/43 kW AC Typ-2- oder Combo-2-Ladeanschluss fahrzeugseitig und Bordladegerät mit entsprechender Leistungsaufnahme (400 V/63 A/43 kW selten realisiert); je nach Stationausstattung ist ein Anschlusskabel mitzubringen
Ladestation CCS Combo 1 DC (Standard für Nordamerika)
Ladestation CCS Combo 2 stationsabhängig/typisch: 50 kW DC CCS-Combo-2-Ladeanschluss fahrzeugseitig (noch nicht realisiert: 150 kW)
Ladestation CHAdeMO stationsabhängig/typisch: 22/50 kW DC CHAdeMO-Ladeanschluss fahrzeugseitig
Ladestation Tesla Supercharger standortabhängig/typisch 135 kW DC Fahrzeug der Marke Tesla Motors

Batteriewechselstationen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Batteriewechselstation von Better Place in Israel

Als „Battery swapping“ werden Ladestationen bezeichnet, an denen die Batterien nicht im Auto mit Strom geladen werden, sondern gegen bereits geladene Batterien getauscht werden. Derartige Wechselakkusysteme sind vor allem im industriellen Bereich bei Flurförderfahrzeugen, wie Gabelstaplern, verbreitet. Hierdurch spielt es keine Rolle, wie lange der Ladevorgang dauert, und bei ausreichend dichtem Stationsnetz werden unbegrenzt lange Fahrten möglich. Erster Anbieter einer solchen Lösung war die Firma Better Place, die infolge mangelnder Rentabilität 2013 Insolvenz anmeldete. Auch beim Tesla Model S von Tesla Motors ist ein Batteriewechsel vorgesehen und in Erprobung.[10] [11] Derzeit (Stand 2015) wird die Lösung vor allem umgesetzt, um Umweltauflagen der CARB zu erfüllen und Fördermöglichkeiten in den USA zu nutzen.[12]

Für die rund 60 Elektrobusse in Peking wurde während der Olympiade 2008 eine Batteriewechselstation betrieben, in der den Bussen die leeren Akkus entnommen und aufgeladene wieder eingeschoben wurden. Diese Station hatte einen Stromanschluss von mehreren 100 kW. In China ist zurzeit der Bau von 3000 Elektrobussen für den öffentlichen Personen-Nahverkehr geplant. Es wird erwartet, dass hier ähnliche bzw. weiterentwickelte Stromtankstellen mit Wechselsystem zum Einsatz kommen.

Induktives Laden[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Prototyp eines induktiven Ladesystems für PKW

Neben der Energieübertragung über Kabel und Steckverbindungen kann elektrische Energie auch über elektrische Wechselfelder induktiv übertragen werden. Neben der Vermeidung von verschleißende Steckverbindungen an elektrisch leitenden Kontakten ist auch ein Berührungsschutz gegeben. Prinzipiell wird dabei die Transformatortechnologie genutzt mit einer primärseitigen Erregerspule, die von Wechselstrom aus dem Stromnetz durchflossen wird. Den in der fahrzeugseitigen (Sekundärseite) Induktionsspule ausgekoppelten Wechselstrom wandelt das im Fahrzeug eingebaute Ladegerät in Gleichstrom und lädt die Traktionsbatterie.

Induktive Ladesysteme gibt es seit vielen Jahren. Das gleiche Prinzip nutzen auch akkubetriebene elektrische Zahnbürsten. Die gute Koppelung beider Spulen durch einen geringen Abstand verringert die Übertragungsverluste. Die Energie wird daher in besonderen Ladepositionen übertragen. Schon das Ladesystem Magne Charge, genormt in der amerikanischen Norm SAE J1773, nutzte in den 1990er-Jahren diese Technologie, auch wenn dort die Primärspule als eine Art Stecker in einen Ladeschlitz am Auto geschoben werden musste. Durch das Einschieben wurden die beiden Spulen optimal positioniert und durch den geringen Abstand die Induktionsverluste minimiert. Fahrzeuge mit diesem Ladestandard sind unter anderem der Elektroauto EV1 (1996), Chevrolet S-10 EV (1997) und Toyota RAV4 EV (1997) der ersten Generation. Das Laden mit 6,6 kW ist am weitesten verbreitet (Level 2). Für Level 3 mit bis zu 50 kW existierten Demonstratoren.[13] Das Ladesystem ist bei den noch aktiven Fahrzeugen noch immer im Einsatz, jedoch wurde kein Nachfolgesystem spezifiziert und es wird nicht mehr angeboten (Stand 2016). Im Spielfilm Gattaca wird der Einsatz gezeigt.

Im öffentlichen Straßenverkehr sammelt man seit 2002 in den italienischen Städten Genua und Turin Erfahrung mit Anlagen für Busse, die damit an Haltestellen ihre Akkus nachladen können.[14][15] Auch in Deutschland werden Batteriebusse mit diesem Ladesystem erprobt, beispielsweise in Braunschweig und Berlin.[16] In Berlin werden dabei Ladeleistungen von bis zu 200 kW erzielt.[17] Die deutschen PKW-Hersteller arbeiten ebenfalls an induktiven Lademöglichkeiten, um ein Laden ohne Stecker anbieten zu können.

Im industriellen Bereich ist die induktive Energieübertragung beispielsweise für fahrerlose Transportfahrzeuge während der Fahrt bereits seit vielen Jahren kommerziell verfügbar. Die Fraunhofer-Gesellschaft hat 2015 bei Tests mit bis zu Tempo 30 km/h durchgeführt.[18][19]

Ladeleistung und -dauer[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Konstantspannungsladung

Die an den Stromtankstellen angebotene Ladeleistung ist ein wesentlicher Faktor für die Ladedauer. In Deutschland derzeit (2016) weit verbreitet sind Typ-2-Wechselstrom-Stromtankstellen mit 11 kW oder 22 kW. Vereinzelt werden Typ-2-Anschlüsse mit 43 kW angeboten. Höhere Ladeleistungen bieten die Gleichstromtankstellen. Für CHAdeMO und CCS sind dort derzeit (2016) Ladeleistungen von bis zu 50 kW üblich. Die Tesla Supercharger bieten meist Ladeleistungen von 135nbspkW an.[20][21][22]

Die Ladedauer hängt sowohl von der Leistungsfähigkeit der Ladestelle als auch von der technischen Auslegung des Fahrzeugs ab. An einem Ladepunkt, dessen Leistungsfähigkeit gering ist, benötigt auch ein schnellladefähiges Fahrzeug eine sehr viel längere Ladezeit. Auf Seiten der Ladestelle kann die Begrenzung der maximal möglichen Leistungsabgabe bedingt sein von einer begrenzten Kapazität des Netzanschlusses und vom verwendeten Steckersystem. Stationen mit mehreren Ladeanschlüssen können die zur Verfügung stehende Ladeleistung auch auf mehrere Fahrzeuge aufteilen. Bei Gleichstromladestationen, kommt zudem die Leistungsfähigkeit der vorgeschalteten Gleichrichter hinzu. Alle anderen Limitierungen, wie Absicherung oder Kabelquerschnitte ordnen sich diesen Gegebenheiten unter.

Haupteinflussfaktoren autoseitig für eine Schnellladung sind neben dem Typ und der Kapazität des aufzuladenden Akkus, bei Wechselstromladung vor allem aber die Leistungsfähigkeit des verbauten Bordladers. Bei heute genutzten Kapazitäten von 10 bis 90 kWh sind für Ladezeiten unter 30 Minuten Ladeleistungen von 5–180 kW notwendig, ohne dabei zusätzliche Hemmnisse, wie Strombegrenzungen im oberen Ladebereich des Akkus überhaupt zu berücksichtigen. Eine haushaltsübliche Schuko-Steckdose liefert 2,5 bis 3,6 kW; ein 400-V-/16-A-Anschluss 11 kW; ein 32-A-Anschluss 22 kW; ein 63-A-Anschluss 43 kW. Es zeigt sich, dass die verbreiteten Kraftstrom-Anschlüsse bei den derzeit am weitesten verbreiteten Akkukapazitäten von rund 20 kWh und der bis 43 kW spezifizierte Typ-2-Stecker eine Aufladung in weniger als einer Stunde ermöglicht. Der Ladestrom muss akkuabhängig begrenzt werden, um Schäden an den Zellen zu vermeiden. Ladegeräte, die im Fahrzeug mitgeführt werden, begrenzen häufig die Ladedauer, obwohl der Akkumulator selbst auch schneller geladen werden könnte. So werden bei vielen deutschen Elektroautos heute Bordlader mit einer Leistung von lediglich 3,6 kW verbaut, was zu Ladezeiten von 6 bis 8 Stunden führt.

Als Ladeverfahren kommen meist das IU-Ladeverfahren (CCCV) oder Abwandlungen davon zum Einsatz. Bei der sogenannten Schnellladung wird der Akkumulator häufig nur zu etwa 80 % aufgeladen. Bis zu dieser Grenze kann zumeist die volle Leistungsfähigkeit der Ladeelektronik genutzt werden. Danach muss der Ladestrom begrenzt werden, um das Überladen der Akkuzellen zu vermeiden, was jedoch eine sehr zeitintensive „Vollladephase“ nach sich zieht. Es ist daher aus zeitlicher Sicht effektiver, die Ladung bereits bei 80 % zu beenden. Moderne Akkus können in 20–30 Minuten auf 80 % aufgeladen werden.

Bei den lithiumbasierten Zellen, aus denen die Traktionsbatterien heutiger Elektrofahrzeuge bestehen, werden von den Herstellen meist 0,5 C bis 1 C und damit eine Ladezeit von unter 2 Stunden als Normalladung empfohlen. Sie können technisch in weniger als einer Stunde schnell geladen werden, sofern die benötigten Ladeleistungen am Akku zur Verfügung stehen.[23] Fahrzeuge mit Akkus von 12 bis 20 kWh Energieinhalt benötigen dafür mindestens einen Anschluss mit einer Leistung von 11 kW oder 22 kW. Gleichstromladesystemen, wie dem Combined Charging System, CHAdeMO oder Tesla-Superchargern sind in der Lage die 2016 üblichen Akkukapazitäten von 20-30 kWh (CCS- und CHAdeMO-Fahrzeuge) und bis zu 90 kWh (Tesla) in unter einer Stunde zu einem Großteil zu füllen.

Weiterentwicklung der Ladeleistung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die CHAdeMO-Vereinigung hat angekündigt, ab 2017 Ladesäulen mit 150 kW Ladeleistung (440 V/350 A) anzubieten und prüft auch eine Weiterentwicklung auf 1000 V/350 A, was einer Nennleistung von 350 kW entspricht.[24] Da die Ladeleistung neben dem Ladestrom von der Ladespannung abhängig ist, die üblicherweise in der Größenordnung von 400 V liegt, ist damit jedoch nicht unbedingt eine Erhöhung der Ladeleistung bzw. Verkürzung der Ladezeit verbunden, es stehen jedoch deutlich höhere Leistungsreserven auf Seiten der Ladesäule bereit.

Die EVTEC AG (Luzern, Schweiz) hat aus Erfahrungen im Rennsport ein 150-kW-Gleichstromladesystem entwickelt, mit dem grundsätzlich in 10 Minuten 100 km Reichweite und in 30 Minuten 300 km Reichweite nachgeladen werden können. Die EVTEC, das IAT der Universität Stuttgart und das Fraunhofer IAO haben in Zusammenarbeit die derzeit (Juni 2016) schnellste Stromtankstelle in Europa mit etwa 200 kW am Stuttgarter Fraunhofer-Campus installiert.[25]

Ladeinfrastruktur in der privaten Garage[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

BMW-Wandladestation für den Stellplatz oder Garage

Elektrofahrzeuge werden mehrheitlich zuhause sowie ab und zu an der Arbeitsstelle geladen. Dies macht über 90 % aller Ladevorgänge aus. Nur ein kleiner Teil entfällt auf öffentliche Ladestationen.[26]

Hersteller von Garagen bieten als Zusatzausstattung Elektroinstallationen an. Es gibt jedoch praktisch keine Standardpakete für das Aufladen von Elektroautos in Fertiggaragen. Kleinere Elektrofahrzeuge wie Elektrofahrräder, Elektromotorräder und kleine Elektroautos verfügen über eine kleine Batteriekapazität und können mit einfachen Mitteln (230 V, 16 A, übliche Haushaltssteckdosen) aufgeladen werden. Um ein Elektroauto mit einer größeren Batteriekapazität in der Garage aufzuladen, werden allerdings andere Anforderungen an die Ladeinfrastruktur gestellt.

Übliche Haushaltssteckdosen sind nur beschränkt für mehrstündigen Dauerbetrieb bei Nennlast geeignet und auch mechanisch nicht sehr belastbar. Industriesteckdosen (CEE-System) weisen eine erhöhte mechanische Belastbarkeit auf und sind gegen Eindringen von Wasser geschützt.[26]

Um für die Zukunft gerüstet zu sein, wird für das Laden von Elektroautos in der privaten Garage mindestens ein Stromanschluss der Größenordnung 22 kW (400 V/32 A) Drehstrom empfohlen. Eine noch stärkere und schnellere Ladung ist bei geeignetem Ladegerät mit 63 A möglich. Beim Renault ZOE kann die Traktionsbatterie so in 30 Minuten zu 80 % geladen werden. Diese Größenordnungen können beim Hausanschluss eingeplant werden: Während in West- und Norddeutschland 63 A für den Hausanschluss üblich sind, erfolgt in Süddeutschland der Hausanschluss oft nur mit 35 A.[27] In Neubaugebieten sind entsprechende Kapazitäten in der Regel ohne Probleme verfügbar. Beim Neubau eines Einfamilienhauses kann beispielsweise die Wohnung mit 35 A und die Garage mit 63 A angeschlossen werden. Die Hersteller von Elektroautos und Dritthersteller bieten dabei Wandladestationen an, die einen einfachen Ladeanschluss gewährleisten. In jedem Fall müssen die Installationsvorschriften der Kfz-Hersteller beachtet und die Installation von einem zugelassenen Elektrofachmann durchgeführt werden.

Pro Elektrofahrzeug ist eine separate Sicherung und ein separater Fehlerstromschutzschalter (FI) zu verwenden. Bei der Wahl des FI sind die Vorschriften bezüglich gleichspannungsüberlagertem Wechselstrom zu beachten, da dieser Mischstrom die Funktion herkömmlicher FI (Typ A) verhindert. Solche Geräte sind heute als Kombischutzschalter zu verwenden.[28]

Ladesäulenverordnung für Deutschland[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Am 9. Januar 2015 stellte das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie einen Entwurf für die Verordnung über technische Mindestanforderungen an den sicheren und interoperablen Aufbau und Betrieb von öffentlich zugänglichen Ladepunkten für Elektromobile (Ladesäulenverordnung – LSV) vor[29]. Hintergrund war die Umsetzung der EU-Richtlinie 2014/94/EU mit dem Ziel der Schaffung einer einheitlichen standardisierten Lade-Infrastruktur bei neu zu errichtenden Ladepunkten.[30] Dazu wurde der Stecker Typ 2 nach DIN EN 62196-2 bzw. Combo 2 DIN EN 62196-3 zum verpflichtenden Standard an öffentlichen Ladepunkten erhoben. Andere Steckerstandards sind bei Neuerrichtungen nur noch zusätzlich, aber nicht mehr eigenständig zulässig.

Die in dem Entwurf vorgestellten Regelungen wurden kontrovers diskutiert.[31][32][33] So wies der Bundesverband Solare Mobilität in einer Stellungnahme auf grundsätzliche Abweichungen zum umzusetzenden EU-Beschluss hin und befürchtet eine Ausgrenzung von privaten und halböffentlichen Ladestellenanbietern.[34] Die Richtlinie wurde ohne größere Änderungen zum 17. März 2016 in Kraft gesetzt.

Betreiberverbünde[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Seit 1992 bietet Park & Charge Lademöglichkeiten für E-Mobile auf reservierten Parkplätzen an. Seit 1997 gibt es das Park&Charge-System mit demselben Schlüssel auch in Deutschland. Es sind 143 Standorte in Deutschland in Betrieb (Stand 12. September 2011) (in der Schweiz: 235, in Österreich 69). Die Grundidee des seit 2006 existierenden Drehstromnetzes ist die nichtkommerzielle Bereitstellung einer Lademöglichkeit auf Gegenseitigkeit.[35] Durch die Bemühungen, vermehrt Elektroautos einzuführen, werden weltweit weitere Systeme geplant und betrieben.

Stromtankstellen-Verzeichnisse[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Stromtankstellen sind in üblichen Straßenkarten oder Navigationssystemen kaum bis gar nicht verzeichnet, zudem gibt es bei Stromtankstellen laufend Änderungen im Leistungsumfang. Störungsmeldungen sind in der Routenplanung zu berücksichtigen, Elektroautofahrern mit Elektroautos großer Akkukapazität steht bei einem Ausfall einer einzelnen Ladestation wegen der geringen Flächendurchdringung von Elektrotankstellen oft kaum eine Alternative zur Verfügung.

Gute Verzeichnisse (siehe unten bei den Weblinks) von Stromtankstellen sind daher oft redaktionell betreut und online zugänglich. Störungen können mittels Smartphone-App kurzfristig und unbürokratisch allen Anwendern mitgeteilt werden.

Stromtankstellen-Identifikation EVSEID[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Stromtankstellenbetreiber benötigen für eine länderübergreifende Verrechnung ähnlich dem Mobilfunk-Roaming-System für ihre Stromtankstelle eine eindeutige ID. Dies erfolgt mittels Ladepunkt-Identifikation (EVSEID en:Electric Vehicle Supply Equipment ID). Die EVSEID-Kennung besteht aus dem Länderkürzel (DE), der EVSE-Operator-ID (3 Stellen), der ID-Type (E) und der Power-Outlet-ID (bis zu 30 Stellen)[36].

Seit dem 1. März 2014 vergibt der Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW) auf Anfrage gegen eine Gebühr einheitliche Identifikationsnummern für Betreiber von für die Öffentlichkeit vorgesehenen Ladesäulen in Deutschland, wodurch der Aufbau eines Roamingsystems auf dem Gebiet der Elektromobilität ermöglicht wird.[37][38]

Ausblick[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im Hinblick auf die Ladesäulen gibt es bereits weiterführende Konzepte. Denn: ein dichtes Ladesäulennetzwerk mit hohen Ladeleistungen würde große Traktionsbatterien in Elektroautos überflüssig machen.[39] Traktionsbatterien mit hoher Zyklusfestigkeit und mittlerer Ladekapazität würden dann ausreichen.

Es gibt weiterhin Konzepte, langfristig den Fahrzeugakku als Teil des Stromnetzes zu betrachten. Er kann bei Energieüberschuss im Netz geladen werden und bei Energiemangel im Netz kann aus dem Akku Energie in das Netz zurückgespeist werden („Vehicle to grid“). Für Batterie-Hausspeicher mit CHAdeMO-Fahrzeugen gibt es bereits erste Anwendungen.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Electric vehicle charging stations – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Stromtankstelle – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Verbände

Verzeichnisse

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. goingelectric Stromtankstellenverzeichnis, Ort Stuttgart eingeben. goingelectric.de, 9. Juni 2016, abgerufen am 9. Juni 2016.
  2. Pressemitteilung Nr. 5/2015. Der Fahrzeugbestand am 1. Januar 2015. Kraftfahrt-Bundesamt, 25. Februar 2015, abgerufen am 27. Februar 2015 (PDF).
  3. goingelectric.de Statistik Stromtankstellen Deutschland, abgefragt am 9. Juni 2016
  4. https://www.bdew.de/internet.nsf/id/20150410-pi-ausbau-der-ladeinfrastruktur-fuer-elektroautos-in-deutschland-auf-gutem-weg-de Abgerufen am 3. Januar 2016.
  5. https://ec.europa.eu/inea/sites/inea/files/fichenew_2013-eu-92069-s_final.pdf
  6. http://www.cegc-project.eu/
  7. European Long-distance Electric Clean Transport Road Infrastructure Corridor (ELECTRIC).
  8. IEC releases final draft standards for EV charging. IEC, Genf, 3. Oktober 2011, abgerufen am 17. Dezember 2015.
  9. Zitat: Der dreiphasige Stecker ist im europäischen Raum am weitesten verbreitet und wurde als Standard festgelegt. mobilityhouse.com, 20. Mai 2016, abgerufen am 20. Mai 2016.
  10. FocusOnline, 24. Juni 2013: Voller Akku in 90 Sekunden. Aufgerufen 7. Dezember 2015
  11. AutoBild, 22. Dezember 2014: Tauschen statt Tanken. Aufgerufen 7. Dezember 2015
  12. Roman Domes: Tesla stößt an seine Grenzen. ZeitOnline, 9. Januar 2015, aufgerufen 7. Dezember 2015
  13. EV1 Club 10/17/98 Club Meeting. EV1 Club. Abgerufen am 9. Januar 2016: „George Bellino, GMATV Magne Charge Program Assistant Manager, 50 KW Inductive Fast Charge Fleet Demo program status“
  14. Induktive Ladekonzepte von Conductix Wampfler. heise.de, 7. Juni 2012
  15. jüp: Induktives Ladesystem für E-Busse: Kraft ohne Kabel. In: Spiegel Online. 9. Juni 2012, abgerufen am 6. Dezember 2015.
  16. Christoph M. Schwarzer: Ladekabel adieu! In: Zeit Online. 14. September 2014, abgerufen am 6. Dezember 2015.
  17. http://www.bvg.de/images/content/meldungen/2015/150825_E-Bus_Flyer_web_Einzel.pdf
  18. Briten vor Tests von E-Auto-Ladung bei der Fahrt. In: Die Welt. 16. März 2015, abgerufen am 6. Dezember 2015.
  19. Tim Schröder: Steckdose ade. In: weiter.vorn 2.2015. Fraunhofer-Gesellschaft, April 2015, abgerufen am 6. Dezember 2015.
  20. Stromtankstellen Verzeichnis zur Verifizierung den Filter Ladestecker geeignet setzen, abgefragt am 6. Juni 2016
  21. Stromtankstellen zur Verifizierung die Filter geeignet setzen, abgefragt am 6. Juni 2016
  22. goingelectric.de Statistik Stromtankstellen Deutschland, abgefragt am 9. Juni 2016
  23. Gaia GmbH, 6. Mai 2010: Handhabungshinweise HP 602030 LFP-38Ah – Operating conditions. PDF, aufgerufen 7. Dezember 2015
  24. CHAdeMO rüstet auf 150 kW auf, abgefragt am 6. Juni 2016
  25. emobilserver.de: Schnellste E-Lademöglichkeit Europas am Stuttgarter Fraunhofer-Campus installiert, abgefragt am 9. Juni 2016
  26. a b Merkblatt Ladeinfrastruktur Elektrofahrzeuge. (PDF; 2,1 MB)
  27. Elektrikforen.de Hausanschluss
  28. Merkblatt Ladeinfrastruktur Elektrofahrzeuge. (PDF; 2,1 MB)
  29. BMWi: Beschlussvorlage der LSV. Aufgerufen 3. Dezember 2015
  30. Bundesverband Solare Mobilität: Stellungnahme zum LSV-Entwurf. Aufgerufen 3. Dezember 2015
  31. heise.de, 19.Januar 2015: Erzwungene Einheit. Abgerufen am 2. Februar 2015
  32. BSM: Entwurf der LSV. Abgerufen am 3. Dezember 2015
  33. BDEW:Politik verursacht neue Hürden für den Aufbau der Ladeinfrastruktur. Abgerufen am 1. März 2015
  34. BSM, 14.Januar 2015: BSM befürchtet Ausgrenzung durch geplante Ladesäulenverordnung. Aufgerufen 3. Dezember 2015
  35. Das DSN-Konzept. Drehstromnetz.de
  36. http://data.fir.de/projektseiten/emobility-ids/files/E-Mobility-IDs_Information_ID_Vergabe.pdf
  37. Juliane Girke: Einheitliche Identifikationsnummern für Elektromobilität. eMobile Ticker-Internetportal, Bundesverband eMobilität e.V., 1. März 2014
  38. Fahren von Elektroautos wird noch kundenfreundlicher: Code-Vergabe ermöglicht allen Nutzern einfachen Zugang zu jeder öffentlichen Ladesäule; BDEW unterstützt Gratisparkplätze. Internetportal des Bundesverbandes der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW), 28. Februar 2014.
  39. Christoph M. Schwarzer, Martin Franz: Schnelles Laden von Elektroautos mit 120 kW: Leistungszuwachs. www.heise.de-Internetportal, 17. März 2015