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Laden von Elektroautos

Definition: das Aufladen der Batterien von Elektroautos, welches per Kabel (konduktiv) oder kontaktlos (induktiv) erfolgen kann

Alternative Begriffe: Aufladen von Elektroautos, Batterieladen

Englisch: charging of electric vehicles

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 03.08.2020; letzte Änderung: 14.08.2020

Ein Elektroauto bezieht die elektrische Energie für die Antriebs-Elektromotoren und andere Verbraucher (z. B. die Heizung und Klimaanlage) gewöhnlich aus einer aufladbaren Batterie (einem Akkumulator). Diese Batterie muss dann regelmäßig aufgeladen werden. In diesem Zusammenhang gibt es etliche teils nicht triviale Zusammenhänge, die hier erklärt werden.

Einige Dinge sind sogar ziemlich überraschend. Ein Beispiel: Wie kann es sein, dass ein Auto, welches an einer Schnellladesäule 70 kW Ladeleistung erreicht, aus einer Wallbox mit 22 kW Nennleistung nur noch 4,6 kW beziehen kann? Dazu muss man einige technische Zusammenhänge verstehen, auch um leider öfters vorkommende Täuschungen zu vermeiden. Wir beginnen mit den einfacheren Aspekten, die auch für Laien leicht nachvollziehbar sind.

Der Schwerpunkt des Artikels liegt auf dem Laden mit Energie aus dem Stromnetz. Wenn Sonnenenergie aus einer eigenen Photovoltaikanlage verwendet wird, ändert das an der Ladetechnik meist gar nichts, weil man in aller Regel die Netzspannung als Zwischenebene verwendet, anstatt direkt Gleichstrom zum Laden der Batterie zu verwenden. Einzig kann es dann angezeigt sein, die Ladezeiten geeignet zu beeinflussen, um möglichst viel Solarstrom für den Eigenverbrauch nutzen zu können.

Wir behandeln hier hauptsächlich das bislang fast immer eingesetzte konduktive Laden, also über ein Ladekabel, aber auch das induktive (kontaktlose) Laden. Üblich ist in Wohngebäuden vor allem das Laden mit direktem Anschluss einen eine normale Steckdose oder über ein kompaktes Gerät, welches zum Beispiel in der Garage an eine Wand montiert wird (Wallbox). Im Übrigen gibt es öffentliche Ladestationen (meist Ladesäulen, auch als Stromtankstellen oder E-Tankstellen bezeichnet), teils auch Schnellladestationen mit hoher Ladeleistung. (Laden mit mehr als 22 kW gilt als Schnellladen.) Dazu kommen Ladesäulen beispielsweise in Firmen für deren eigenen Fuhrpark und für ihre Mitarbeiter.

Nur kurz sprechen wir das bei Autos (anders als bei Zweirädern) noch nicht in die Praxis eingeführte Konzept von Wechselbatterien an – also den Austausch der entladenen Fahrzeugbatterie durch eine andere, die stationär geladen wurde. Dies könnte im Prinzip die volle Reichweite innerhalb weniger Minuten bringen, ist aber praktisch nicht so einfach realisierbar.

Ladezeit in Abhängigkeit von der Ladeleistung

Ein wichtiger Aspekt ist die Zeit, die für das Laden einer Batterie benötigt wird. Dies ist zunächst einmal für die Fahrzeugbenutzer relevant – weniger beim Laden zu Hause übernachtet, eher bei Ladestopps z. B. an Autobahnraststätten. Außerdem ist das schnelle Laden auch für die Betreiber von Ladestationen wichtiger: Je schneller es geht, desto mehr Fahrzeuge können pro Tag abgefertigt werden, und desto eher lassen sich die Kosten für die Installation amortisieren. Insofern können auch etwas höhere Installationskosten tragbar sein. Natürlich muss verhindert werden, dass einzelne Wagen die Ladestationen wesentlich länger blockieren als für das Laden notwendig.

Die Ladezeit hängt hauptsächlich von zwei Dingen ab: von der benötigten Energiemenge und der Ladeleistung. Allerdings geht von der Ladeleistung noch ein bestimmter Prozentsatz an Energieverlusten ab, die in der Ladestation, im Ladekabel und im Fahrzeug (vor allem in der Batterie) entstehen. In günstigeren Fällen liegen diese Verluste bei rund 10 %; leider sind sie bei manchen Fahrzeugen sogar höher als 20 %, und die Hersteller sagen dazu meist wenig oder gar nichts. Wir kommen weiter unten nochmals auf die Energieeffizienz, die von den Ladeverlusten natürlich reduziert wird, zurück.

Für die Rechnungen im Folgenden nehmen wir an, dass die angegebene Ladeleistung die aus dem Netz bezogene Leistung ist und effektiv entsprechend weniger in der Batterie landet.

Wenn die Batterie anfangs komplett entladen ist (was in der Praxis eher selten vorkommen dürfte), entspricht die benötigte Energiemenge der kompletten nutzbaren Kapazität der Batterie, die vom Hersteller in Kilowattstunden (kWh) angegeben wird. Wenn die Batterie nur teilweise entladen war, wird entsprechend weniger Energie für das Laden benötigt.

Die Ladeleistung (wie generell eine energetische Leistung) bedeutet die gelieferte Energiemenge pro Zeiteinheit. Die hier übliche Einheit ist das Kilowatt (kW = 1000 Watt). Meist wird die Ladeleistung entweder durch die Ladestation oder durch die Technik im Fahrzeug begrenzt, in manchen Fällen auch durch die Belastbarkeit des verwendeten Ladekabels. Unten wird erklärt, welche Ladeleistungen unter verschiedenen Umständen möglich sind.

Die Ladezeit ergibt sich dann einfach als die benötigte Energiemenge dividiert durch die Ladeleistung, falls letztere während der Ladung konstant bleibt. Sie können dann einfach den folgenden Rechner verwenden:

Ladezeit in Abhängigkeit von der Ladeleistung

Benötigte Energiemenge:
Ladeleistung:
Ladeverluste:
Ladezeit: berechnen

Geben Sie Eingabewerte ggf. mit Einheiten an. Nachdem Sie Eingabefelder verändert haben, können Sie den Knopf "berechnen" betätigen, um die jeweilige Ausgabe neu zu berechnen.

In der Praxis ist es bei Elektroautos allerdings oft so, dass die volle Ladeleistung nur bis zu einem Ladezustand von z. B. 80 % verwendet werden kann; danach muss zwecks Schonung der Batterie die Ladeleistung erheblich reduziert werden. Dies gilt insbesondere bei der Verwendung von Schnellladestationen, dagegen in der Regel nicht bei Aufladung an einer normalen Steckdose oder einer kleinen Wallbox, wo die Ladeleistung ohnehin niedrig ist.

Zwei Zahlenbeispiele:

  • Ladung von 30 kWh über eine Haushaltssteckdose mit nur 2 kW und 15 % Verlust: Dies benötigt 17,6 Stunden; ohne Energieverluste (oder wenn mit 2 kW die effektive Ladeleistung gemeint wäre) wären es 15 Stunden.
  • Ladung einer 50-kWh-Batterie von 10 % auf 80 % mit 20 kW mit 15 % Verlust: Die Ladezeit ist 0,70 · 50 kWh / (0,85 · 20 kW) = 2,06 Stunden.

Geladene Energie und Reichweite

Ein anderer relativ einfacher Zusammenhang besteht zwischen der geladenen Energiemenge und der Reichweite des Fahrzeugs, bzw. der Erhöhung der Reichweite als Folge einer bestimmten Ladung. Dies hängt davon ab, wie sparsam das Fahrzeug ist, d. h. wie viel Energie es für 100 km Fahrstrecke benötigt.

Reichweite des Elektroautos

Geladene Energiemenge:
Verbrauch pro 100 km:
Reichweite: berechnen

Geben Sie Eingabewerte ggf. mit Einheiten an. Nachdem Sie Eingabefelder verändert haben, können Sie den Knopf "berechnen" betätigen, um die jeweilige Ausgabe neu zu berechnen.

Natürlich sollten die eingegebene geladene Energiemenge und der Verbrauch entweder beide die Ladeverluste enthalten oder beide nicht.

In der Praxis werden die Verbrauchswerte je nach Fahrweise und äußeren Umständen deutlich unterschiedlich hoch ausfallen. Vor allem treibt das Heizen oder Kühlen des Fahrzeugs den Stromverbrauch kräftig in die Höhe, besonders im Stadtverkehr (wo man für 100 km deutlich länger unterwegs ist). Deswegen wird man den Verbrauch auf der kommenden Fahrstrecke nie exakt vorhersagen können. Immerhin ist aber eine vernünftige Abschätzung möglich. Hierbei sollten Sie keineswegs blind den Verbrauchsangaben der Hersteller vertrauen; auch die auf Normen wie NEFZ oder WLTP basierenden Werte sind verglichen mit der Praxis meist deutlich überoptimistisch (was v. a. für NEFZ-Werte gilt). Auch die Angabe einer Reichweite als “bis zu … km” lässt natürlich erkennen, dass man damit vorsichtig sein sollte.

Kosten für das Laden zu Hause und an öffentlichen Ladestationen

Zu Hause

Die Stromkosten für den Betrieb des Elektroautos sind leicht zu ermitteln, wenn die verbrauchte Strommenge bekannt ist (oder aufgrund der Fahrleistung und der spezifischen Verbrauchs abgeschätzt werden kann) und wenn der Preis pro Kilowattstunde bekannt ist.

Stromkosten des Elektroautos

Fahrleistung:
Verbrauch pro 100 km:
Stromtarif:
Kosten: berechnen

Geben Sie Eingabewerte ggf. mit Einheiten an. Nachdem Sie Eingabefelder verändert haben, können Sie den Knopf "berechnen" betätigen, um die jeweilige Ausgabe neu zu berechnen.

Ein Zahlenbeispiel:

  • Wenn ein kleines (relativ sparsames) Auto pro Jahr 10 000 km gefahren wird bei einem Verbrauch von 15 kWh pro 100 km, bedeutet das pro Jahr einen Verbrauch von 1500 kWh. Bei einem Haushalts-Stromtarif mit 30 ct/kWh bedeutet dies Kosten von 450 € pro Jahr.
  • Zum Vergleich würde ein Benzinauto mit einem Verbrauch von 5 l pro 100 km pro Jahr 500 Liter Benzin verbrauchen. Bei einem Benzinpreis von 1,40 €/l (Stand Januar 2020) ergäbe dies Kosten von 900 € pro Jahr – also das Doppelte der Stromkosten.

Somit ist es problemlos verkraftbar, dass die jährliche Stromrechnung des Haushalts durch die Einführung des Elektroautos erheblich ansteigt. (Der Vergleich mit den sonstigen Stromkosten ist natürlich nicht maßgeblich.)

Man beachte wiederum, dass offizielle Verbrauchswerte nicht unbedingt in der Praxis erreichbar sind.

Wichtig ist auch der Hinweis, dass die Anzeige des Stromverbrauchs im Auto normalerweise die Ladeverluste nicht enthält, die ja auch von der jeweiligen Ladetechnik abhängt. Man würde die Kosten also etwas unterschätzen, wenn man auf dieser Basis die Betriebskosten ausrechnet.

Wenn zu Hause zusätzliche Infrastruktur installiert werden muss (siehe unten), können die dafür entstehenden Kosten auch auf die z. B. innerhalb einiger Jahre gefahrenen Kilometer umgelegt werden. Dies kann natürlich ein erheblicher Kostenfaktor sein. Allerdings kann die Einrichtung eines Ladepunkts auch als Wertsteigerung für die Immobilie betrachtet werden, und ohnehin sind diese Fixkosten immerhin meist gering im Vergleich zur Anschaffung des Fahrzeugs.

Öffentliche Ladestationen

Die Kosten an öffentlichen Ladestationen sind sehr unterschiedlich:

  • Etliche Ladestationen beispielsweise von Supermärkten sind kostenlos – gedacht, um zusätzliche Kunden anzuziehen. Wenn während eines Einkaufs beispielsweise für eine halbe Stunde mit 5 kW geladen werden kann, sind dies 2,5 kWh Energie, für die ein Privathaushalt ca. 0,75 € bezahlen würde; für einen Gewerbebetrieb ist es normalerweise deutlich weniger. Gleichzeitig spart sich der Betreiber den Aufwand für ein Abrechnungssystem. Ärgerlich wird es für den Anbieter nur, wenn Leute dies über Gebühr ausnutzen – etwa das Laden, ohne dort wirklich einzukaufen, oder das Laden über viel längere Zeit, womit auch wertvolle Ladepunkte blockiert bleiben und womöglich andere Kunden verärgert werden, die keinen freien Ladepunkt mehr finden.
  • Wenn eine Abrechnung erfolgt, dann kann dies auf sehr unterschiedlichen Preissystemen basieren, was Verwirrung schaffen kann. Möglich sind beispielsweise ein einfacher kWh-Preis wie zu Hause (u. U. aber mit einem viel höheren Tarif), ein zeitabhängiger Tarif (minutengenau oder z. B. für jede angefangene halbe Stunde) oder ein Pauschalpreis pro Tankvorgang unabhängig von der bezogenen Ladeleistung (was ziemlich teuer werden kann, beispielsweise wenn ein Fahrzeug nur einphasig mit geringer Leistung laden kann). Häufig gibt es auch eine jährliche oder monatliche Grundgebühr im Zusammenhang mit der Registrierung für den jeweiligen Anbieter, in anderen Fällen nur eine einmalige Aktivierungsgebühr, oder auch eine Grundgebühr pro Ladevorgang. Eine regelmäßig zu zahlende Grundgebühr lohnt sich natürlich nur bei genügend häufiger Benutzung. Grundsätzlich ist der Kostenvergleich oft schwierig, weil diverse Details zu berücksichtigen sind, inklusive der schlecht vorhersehbaren Zahl der Ladevorgänge pro Jahr, die ja auch durch die Verfügbarkeit der entsprechenden Ladestation begrenzt sein kann.

Eine Abrechnung nach bezogener Energiemenge setzt beispielsweise in Deutschland voraus, dass die Ladesäulen mit eichkonformen Stromzählern ausgestattet sind. Für DC-Schnellladesäulen gibt es bislang (Stand 08/2020) noch keine eichkonformen Zähler, weswegen eine Sonderregelung gilt. Häufig wird ein Pauschalpreis pro Ladevorgang verrechnet, was für Nutzer von Kleinwagen mit kleinen Batterien (wie auch für Kunden, die mit nur teilweise entladener Batterie ankommen) natürlich weniger günstig ist.

Man beachte, dass die Anbieter natürlich nicht nur ihre Stromkosten hereinholen müssen, sondern auch die errichtete Infrastruktur amortisieren und diverse Zusatzkosten und Risiken abdecken müssen – etwa Reparaturen nach Defekten (womöglich durch Anrempeln mit Fahrerflucht verursacht).

Großzügiger können beispielsweise Autohersteller kalkulieren, die ihre speziellen Stationen als wichtigen Zusatznutzen für ihre verkauften Fahrzeuge anbieten und deswegen mit dem Betrieb der Stationen nicht unbedingt Gewinne machen müssen.

Betrieb mit Ökostrom

Wer ein Elektroauto kauft, dürfte dabei meist das Anliegen haben, möglichst umweltfreundlich zu fahren. Ein entscheidender Faktor hierfür ist natürlich, dass Ökostrom für den Betrieb verwendet wird. Sonst entstehen insbesondere die klimaschädlichen CO2-Emissionen – nicht im Auto, sondern eben in den Kraftwerken, die den Strom für das Laden der Batterien erzeugen. Ein Zahlenbeispiel: Wenn ein relativ sparsames Fahrzeug 15 kWh pro 100 km verbraucht und mit Strom aus einem Braunkohlekraftwerk mit Emissionen von 1100 g/kWh geladen wird, entspricht dies 16,5 kg CO2 pro 100 km bzw. 165 g/km. Damit läge man sogar erheblich schlechter als ein benzinbetriebenes Fahrzeug gleicher Größe. Wenn im verwendeten Strommix immerhin ein wesentlicher Anteil von Kohlestrom ist, liegt man vielleicht noch ein wenig besser als ein Benzin-Auto, aber eben nicht sehr viel.

Erst mit echtem Ökostrom wird das Elektroauto wirklich umweltfreundlich. Hierbei muss betont werden, dass häufig angebotene Mogelpackungen höchstens der Gewissensberuhigung dienen, ohne aber tatsächlich die erwartete ökologische Qualität zu bieten. Wenn beispielsweise ein Stromanbieter bekannt gibt, er liefere an Privatkunden oder an seine Ladesäulen nur Strom aus Wasserkraft, kann es vorkommen, dass er gleichzeitig “Dreckstrom” an Industriekunden verkauft – was dann bedeuten kann, dass jede zusätzlich verbrauchte Kilowattstunde beim Privatkunden eine zusätzlich erzeugte schmutzige Kilowattstunde verursacht. Solche Verbrauchertäuschung ist leider legal. Sie lässt sich in der Regel nur vermeiden, indem man Strom mit einem anerkannten Ökostrom-Zertifikat (Ökostromlabel) kauft.

Beim Laden zu Hause ist schon alles erledigt, wenn der Haushalt generell mit Ökostrom versorgt wird. Dagegen muss man beim Laden außer Haus immer wieder prüfen, welche Stromqualität verwendet wird. Viele Ladesäulen werden mit Strom ungenannter Qualität (oder mit Ökostrom ohne Label) betrieben, was einen erheblichen Anteil von “Dreckstrom” erwarten lässt. Manche Anbieter dagegen weisen ein anerkanntes Zertifikat auf, und dann darf man von annähernd emissionsfreiem Fahren (abgesehen von der grauen Energie für die Herstellung des Fahrzeugs) ausgehen.

Finden von Ladestationen

Eine sehr praktische Hilfe beim Finden von Ladestationen vor allem während der Fahrt ist, dass Elektroautos häufig mit Navigationssystemen ausgestattet sind, die über entsprechende Daten verfügen. Im Idealfall wird auch angezeigt, ob man Ökostrom bekommt, welche Ladetechnologien (siehe unten) und welche Ladeleistungen diese Stationen anbieten und ob sie zu relevanten Zeit tatsächlich verfügbar sind – wobei natürlich nicht vorhersehbar ist, ob alle Ladepunkte später besetzt sein werden. Wichtig ist auch eine regelmäßige Aktualisierung der Daten, vor allem weil ja ständig weitere Stationen dazukommen, aber auch weil manche zeitweise durch Defekte ausfallen können.

Aktuelle Daten findet man auch auf diversen Websites im Internet, was vor allem für die Reiseplanung nützlich sein kann. Leider sind die Angaben häufig nicht sehr klar, beispielsweise weil eine verständliche Legende für die benutzten Symbole fehlt.

Bei der Reiseplanung ist es anzuraten, sich nicht auf eine bestimmte Ladestation zu verlassen, sondern sicherzustellen, dass eine andere in nicht zu großer Entfernung auffindbar wäre.

Ladetechnologien

Grundsätzlich kann man nicht die Fahrzeugbatterie z. B. einfach an das Stromnetz anschließen, da man für sie eine Gleichspannung in der richtigen Höhe braucht und außerdem die Lade-Stromstärke geeignet einstellen muss. Außerdem sind diverse Sicherheitsaspekte zu berücksichtigen. Deswegen braucht man immer irgendeine Art von Ladegerät, entweder im Fahrzeug oder in einer Ladestation – in der Regel sogar einiges an Elektronik auf beiden Seiten. Es wurden einige sehr unterschiedliche technische Ansätze entwickelt, mit spezifischen Vor- und Nachteilen, die im Folgenden erklärt werden. Alle kommen in der Praxis vor, und als Fahrer sollte man wenigstens ihre grundlegenden Eigenschaften verstanden haben.

Laden mit Einphasen-Wechselstrom

Unsere Stromnetze funktionieren aus historischen Gründen praktisch alle mit Wechselstrom bzw. Drehstrom in Form von Dreiphasen-Wechselstrom. Für beides findet man die Bezeichnung AC = alternating current. Da alle Batterien mit Gleichstrom geladen werden müssen, wird auf jeden Fall ein Gleichrichter benötigt. Dazu kommt die nötige Anpassung der elektrischen Spannung an die Batteriespannung und die Regelung der Ladestromstärke. Wo genau sich diese Technik befindet – im Fahrzeug oder in einer Ladestation – hängt vom gewählten Ansatz ab.

Ganz ohne besondere Lade-Infrastruktur kommt man aus, wenn man ein Elektroauto einfach an einer normalen Schutzkontakt-Steckdose in oder am Haus lädt. Die Gleichrichtung und Laderegelung erfolgt dann üblicherweise in dem Ladegerät, welches in das Elektroauto integriert ist.

Das Einphasen-Laden hat leider die folgenden Nachteile:

  • Die Belastbarkeit von Steckdosen ist zunächst durch die jeweilige Sicherung begrenzt, die normalerweise eine Stromstärke von entweder 16 A oder auch nur 10 A zulässt. Darüber hinaus ist es vor allem bei älteren Installationen fraglich, ob die Leitungen vom Zählerkasten zur Steckdose (inklusive Verteilerdosen u. ä.) für eine Dauerbelastung in dieser Höhe geeignet sind; grundsätzlich sind Haushaltssteckdosen nicht für eine Dauerbelastung in der Höhe des abgesicherten Werts gedacht. Besonders wenn elektrische Kontakte durch Korrosion oder auch unvorhergesehene mechanische Belastung schlecht werden, also einen erhöhten elektrischen Widerstand aufweisen, wird es dort bei starkem Stromfluss auf Dauer zu heiß; es kann sogar eine Brandgefahr entstehen. Im Zweifelsfall sollte ein Elektriker die Leitungen vor der Verwendung überprüfen und ggf. austauschen, und selbstverständlich sollte man bei jeglichen Anzeichen für eine Überlastung von Leitungen (etwa wenn ein charakteristischer Geruch auftritt) sehr vorsichtig werden. Vorsichtshalber begrenzen die Ladegeräte vieler Hersteller die Ladestromstärke auf ca. 10 bis 12 A. (Man beachte, dass die Wärmeentwicklung mit dem Quadrat der Stromstärke zunimmt, weswegen die Begrenzung auf 10 A statt z. B. 15 A die Belastung der Leitung bereits massiv reduziert.)
  • Wegen der Verwendung nur einer Phase (Einphasen-Wechselstrom) und der moderaten Netzspannung von 230 V (z. B. in Deutschland) ergibt sich nur eine relativ geringe Ladeleistung – z. B. 2,3 kW bei 10 A Stromstärke. Daraus resultieren dann entsprechend lange Ladezeiten von oft weit mehr als 10 Stunden. Das mag für viele Autofahrer genügen, für andere aber nicht oder nicht immer.
  • Natürlich kommt es nicht infrage, dass gleichzeitig zwei oder mehr Elektroautos über nahe gelegene Steckdosen geladen werden, außer wenn diese über separate Leitungen und Sicherungen verfügen.
  • Es kommt zu einer sogenannten Schieflast, d. h. einer asymmetrischen Belastung der drei Phasen – allerdings innerhalb des zulässigen Rahmens, sodass dies hier kein echtes Problem besteht.
  • Überraschenderweise können die Ladeverluste bei dieser Methode sogar um einige Prozentpunkte höher sein als bei schnellerem Laden, da die Ladeelektronik oft einen gewissen Grundverbrauch hat, der bei langer Ladedauer entsprechend mehr ins Gewicht fällt.
  • Die Handhabung ist etwas weniger praktisch als an einer Ladesäule mit Kabel, da man das Ladekabel mit Ladegerät erst dem Auto entnehmen und an beiden Seiten einstecken muss.

Übrigens sollte man nach Möglichkeit vermeiden, jegliche Zusätze wie Mehrfachsteckdosen, Reiseadapter, Verlängerungskabel oder gar Kabeltrommeln zu verwenden, weil damit diverse zusätzliche Gefahren einer Überlastung von Komponenten eingeführt werden. Problematisch ist insbesondere die Verwendung von Kabeltrommeln im weitgehend aufgewickelten Zustand, weil diese mit der Zeit recht heiß werden können.

Laden mit Drehstrom

Viele Ladestationen bieten Drehstrom an, also drei verschiedene Wechselstrom-Phasen, deren elektrische Schwingungen um jeweils eine Drittel-Periode gegeneinander verschoben sind. Wenn alle drei genutzt werden können, ergibt sich damit bei gleicher Stromstärke die dreifache Ladeleistung, und jegliche Schieflast kann vermieden werden.

Ladestecker für Elektroauto
Abbildung 1: Eine Typ-2-Ladekupplung, mit dem ein Elektroauto an eine Ladestation angeschlossen werden kann (Siemens-Pressebild).

Für den Anschluss des Autos benötigt man in aller Regel nicht einfach einen üblichen Drehstrom-Stecker (den roten CEE-Stecker), sondern eine Ladestation mit einer anderen Steckverbindung. Solche Drehstrom-Ladestationen stellen alle drei Phasen zur Verfügung. In Europa werden hierfür fast immer Steckverbindungen vom Typ 2 genutzt, die auch als Mennekes-Stecker bezeichnet werden. Sie bieten die drei Phasen, Neutralleiter und Schutzleiter sowie zwei Steuerkontakte namens PP und CP (siehe unten, Ladebetriebsart 3). Abbildung 1 zeigt eine solche Fahrzeugkupplung. (Es handelt sich nicht etwa um einen Stecker; die Stifte eines Steckers befinden sich im Fahrzeug, und was man in der Hand hält, ist eine Kupplung.)

Das Ladekabel zwischen der Station und dem Fahrzeug ist in manchen Fällen fest an der Station befestigt, aber häufig benötigt der Fahrzeughalter ein eigenes, ständig mitzuführendes Kabel – eigentlich eine unsinnige Lösung, da so eine Vielzahl relativ selten genutzter Kabel in Betrieb ist und die Handhabung aufwendiger wird. Zudem begrenzen manche der mit den Autos gelieferten Kabel die Ladeleistung unter das von der Station her mögliche Niveau. Andererseits kann es günstig sein, wenn eine Ladestation Boxen für eine Reihe unterschiedlicher Ladesysteme anbietet; für jedes davon ein fest angebrachtes Kabel zu haben, wäre eine Platz raubende und unübersichtliche Lösung.

Eine weitere Komplikation ist, dass es viele Fahrzeuge gibt, deren internes Ladegerät nur einphasig arbeitet, also nur eine der drei Phasen nutzen kann. Dementsprechend kann nur ein Drittel der Leistung der Ladestation genutzt werden. Es kann sogar noch weniger sein, wenn nämlich das Fahrzeug nicht den vollen Ladestrom nutzen kann, das verwendete Ladekabel zu schwach ist oder wenn der Ladestrom begrenzt werden muss, um die Schieflast innerhalb der erlaubten Grenzen zu halten. In Deutschland liegt diese Grenze derzeit bei 20 A, entsprechend 4,6 kW, und zukünftig vermutlich nur noch bei 16 A / 3,7 kW. (Andere europäische Länder haben meist bereits tiefere Grenzen als Deutschland.)

Ein typisches Beispiel für die letztere Situation bietet der Hyundai Ioniq Elektro. Er ist bislang (Stand August 2020) wie viele andere Elektroautos nur mit einem einphasigen Ladegerät ausgestattet, welches bis zu 28,5 A beziehen kann. Wenn die Ladestation diese Stromstärke erlaubt, erhält man eine Ladeleistung von knapp 6,6 kW. Bei Benutzung aller drei Phasen wären es fast 20 kW, und eine solche Angabe wird dann auch auf der Ladestation zu finden sein. Vermutlich kommt es öfters vor, dass ein Autokäufer eine solche Ladestation einrichten lässt in der Annahme, sie würde das Auto dann mit ca. 20 kW laden, was dann natürlich in eine Enttäuschung mündet. Dasselbe gilt für öffentliche AC-Ladestationen. Häufig wird die erlaubte effektive Stromstärke sogar auf 20 A begrenzt – nämlich durch das mit dem Auto gelieferte Ladekabel und/oder durch die begrenzte Schieflast –, womit man nur noch 4,6 kW erreicht. Leider wird genau dieses Missverständnis bei verschiedenen Texten im Internet (z. B. von Autohändlern) noch (absichtlich?) gefördert. Oft sind die Angaben nicht objektiv falsch, sondern “lediglich” eindeutig irreführend – etwa wenn man ein Ladegerät ausdrücklich als für ein bestimmtes Auto geeignet angibt, dessen Nennleistung angibt und damit fälschlich suggeriert, dass das Auto dann eben mit dieser Leistung geladen werden könnte. Im Zweifelsfall sollte man sich als Käufer garantieren lassen, dass die angegebene Leistung auch wirklich nutzbar ist, bzw. welche maximale Ladezeit damit erreicht wird.

Allerdings gibt es auch hierfür eine technische Lösung: Es gibt Geräte, die den drei Phasen des Stromnetzes gleichmäßig Leistung entnehmen (also ohne Schieflast) und diese über eine einzelne Phase abgeben. Auf diese Weise lässt sich auch bei einphasigem Laden eine höhere Ladeleistung erzielen – aber leider eben nur mit einem Zusatzgerät und einem stärkeren Ladekabel, und immer noch wesentlich weniger als mit echtem dreiphasigem Laden.

Laden mit Gleichstrom

Viele Fahrzeuge bieten alternativ die Möglichkeit des Ladens mit Gleichstrom (DC = direct current). In diesem Falle befindet sich der Gleichrichter nicht im Fahrzeug, sondern in der Ladestation, und die Stromzuführung erfolgt über zwei Leitungen im Ladekabel, die entgegengesetzt gleich große Spannungen gegen Erde führen. Das ganze Ladegerät im Fahrzeug inklusive Gleichrichter im Fahrzeug wird hiermit umgangen, und so sind häufig viel höhere Ladeleistungen möglich. Der Strom fließt direkt in die Batterie. Gesteuert wird der Ladestrom hier von der Ladestation, nicht von der Elektronik im Auto; diese teilt der Ladestation lediglich die relevanten Parameter (Ladezustand, maximaler Ladestrom etc.) mit.

Für den Anschluss wurde zunächst in Japan das CHAdeMO-System entwickelt. Dieses ist nur für DC-Laden geeignet, nicht für AC-Laden. In Europa wurde deswegen ein anderer Ansatz verfolgt, der zum CCS (Combined Charging System) führte. Hier setzt man Typ-2-Combo-Steckverbindungen ein, die auf zwei unterschiedliche Arten verwendet werden können (siehe Abbildung 2):

  • Wo man von der Ladestation her nur die Möglichkeit zur AC-Ladung hat, kann man das übliche Typ-2-Ladekabel mit dem Combo-Stecker verbinden.
  • DC-Ladestationen sind mit einer Fahrzeugkupplung ausgestattet, welches den gesamten Combo-Stecker nutzt. Dieser enthält zwei Leiter für die Übertragung des Gleichstroms, die neben den AC-Leitern liegen und von einem gewöhnlichen Typ-2-Stecker freigelassen würden. Für die DC-Ladung werden aber auch die Signalleitungen des Typ-2-Teils genutzt.
Ladestecker für Elektroautos
Abbildung 2: Die in Europa üblichen Ladestecker für Elektroautos. Der Typ-2-Stecker links unterstützt nur das für AC-Laden mit den drei Leitern (Phasen) L1 bis L3, N = Neutralleiter, PE = Schutzerdung, PP und CP = Steuerleitungen. Der Combo-Typ-2-Stecker erlaubt das Laden entweder mit AC (Benutzung nur des oberen Teils) oder mit DC (Ladung über die unteren zwei Kontakte, ebenfalls Benutzung der Steuerleitungen aus dem oberen Teil).
Ladestecker bei einem Hyundai-Elektrofahrzeug
Abbildung 3: Ladestecker bei einem Hyundai-Elektrofahrzeug – geeignet für AC-Laden (mit nur dem oberen Teil) oder für DC-Laden (mit einer größeren Kupplung, die alle Kontakte überdeckt).

Da dieser Ansatz auf europäischer Ebene als verbindlich erklärt wurde, werden die meisten neuen Elektrofahrzeuge seit einigen Jahren damit ausgestattet. Somit haben die Nutzer eine breitere Auswahl von Ladestationen.

Das Konzept der DC-Ladung wird vor allem für Schnellladestationen eingesetzt, welche beispielsweise an Autobahnraststätten verfügbar sind. Diese Einrichtungen müssen über eine starke Anbindung an das öffentliche Stromnetz verfügen, üblicherweise auf der Mittelspannungsebene. An das Fahrzeug geliefert wird eine elektrische Spannung von z. B. 500 V – aber nicht etwa 500 V gegen Erde, sondern ±250 V. Die Stromstärken können teils recht hoch werden, z. B. 100 A für eine Leistung von 500 V · 100 A = 50 kW, teils aber auch 200 A (CCS 1) oder sogar 400 A (HPC) – später wohl auch noch mehr für Leistungen von hunderten von Kilowatt. Dafür braucht man natürlich entsprechend große Leitungsquerschnitte, also relativ schwere und unflexible Kabel, wie man sie bei einem Haushaltsgerät nicht finden würde. Deswegen gibt es auch Entwicklungen für die Nutzung einer höheren Spannung von 800 V (d. h. ±400 V), beispielsweise bei Porsche (“Porsche Turbo Charging”). Natürlich muss dann auch die Batteriespannung so hoch sein, wenn man nicht noch einen Hochleistungs-DC/DC-Spannungswandler im Fahrzeug verbauen möchte.

AC-Ladestation
Abbildung 4: Eine einfache AC-Ladestation (Wallbox), die außen an einem Gebäude angebracht wurde. Wie für AC-Lade üblich, muss das vom Kunden mitgebrachte Ladekabel eingesteckt werden. DC-Ladestation haben dagegen ein fest angeflanschtes Kabel.

Kaum üblich ist bislang das Gleichstrom-Laden (DC-Laden) in Wohngebäuden. Es gibt zwar bereits DC-Wallboxen, die ein erheblich schnelleres Laden als die üblicheren AC-Geräte ermöglichen, allerdings eher mit Leistungen in der Gegend von 20 bis 50 kW. Selbst dann sind die Kosten bislang massiv höher als bei den AC-Geräten mit entsprechend geringerer Leistung. Es ist aber zu erwarten, dass sich dies demnächst ändern wird, sodass sich diese zukunftssichere Lösung durchsetzen kann.

Ein Nachteil des CCS-Ansatzes ist, dass mit Blick auf das Potenzial der DC-Ladung die Optimierung der AC-Ladung von den Fahrzeugherstellern meist vernachlässigt wird – mit der Folge, dass man zu Hause, wo eine DC-Ladestation bislang oft zu teuer wäre, nur einphasig mit entsprechend geringer Leistung (siehe oben) laden kann. Dieses Problem dürfte aber wie gesagt nur vorübergehend bestehen, bis kostengünstigere DC-Lader auch für Eigenheime verfügbar werden. Grundsätzlich ist es ja auch sinnvoller, die teure Elektronik stationär zu verbauen und nicht in allen Fahrzeugen, vor allem wenn eine Station von mehreren Fahrzeugen genutzt werden kann.

Sollte das AC-Laden zukünftig aufgegeben werden, müsste man natürlich über einen neuen Standard nachdenken, der die Technik für den AC-Teil (inklusive der zusätzlichen Leiter in den Ladekabeln) unnötig macht.

Induktives Laden

In manchen Situationen ist es vorteilhaft, wenn für das Laden nicht von Hand eine elektrische Verbindung durch Einstecken eines Kabels geschaffen werden muss. Hierfür gibt es die Technologie des induktiven (kontaktlosen) Ladens, d. h. mit induktiver Energieübertragung.

Das Grundprinzip ist das eines Transformators. Beispielsweise im Boden, über dem ein Fahrzeug abgestellt werden kann, ist die Primärspule dieses Transformators untergebracht, welche ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Diese induziert in einer zweiten Spule innerhalb des Fahrzeugs eine elektrische Spannung und überträgt damit effektiv Energie, die zum Laden genutzt werden kann. Dafür sollte das Fahrzeug natürlich präzise an der richtigen Stelle abgestellt werden.

Bei Betrieb mit der normalen Netzfrequenz wäre dieses Verfahren zur Übertragung genügend hoher Leistungen mit halbwegs akzeptablen Energieverlusten klar nicht ausreichend. Jedoch gibt es die Möglichkeit, ein solches Gerät mit sehr viel höheren Frequenzen zu betreiben, sodass man mit viel kleineren Spulen auskommt und gleichzeitig eine sehr viel bessere Energieeffizienz erzielt. Allerdings ist der Wirkungsgrad auch damit noch etliche Prozentpunkte niedriger als mit einer einfachen und entsprechend billigeren Kabelverbindung. Somit erhöht sich der effektive Stromverbrauch des Autos um z. B. weitere 15 %. Außerdem ist die erreichbare Ladeleistung bisher begrenzt auf gut 20 kW (Stand 2020).

Die sehr begrenzte Verbreitung induktiver Ladeeinrichtungen liegt aber auch daran, dass man sich bislang noch nicht auf ein bestimmtes System einigen konnte. Eine entsprechende Normung steht also noch aus. Deswegen ist ein serienmäßiger Einbau in Elektroautos heute nicht realistisch, und ein nachträglicher Einbau wegen der dann wesentlich höheren Kosten ohnehin nicht.

Für Elektrosmog-Phobiker ist das induktive Laden übrigens die reinste Katastrophe. Zumindest im näheren Umfeld des Fahrzeugs treten starke magnetische Wechselfelder auf, die solche aus diversen anderen Quellen ziemlich in den Schatten stellen. Die dadurch infrage gestellte Akzeptanz könnte ein weiteres Hindernis für die Verbreitung dieser Technologie sein. Immerhin ist dies Reichweite dieser magnetischen Felder recht begrenzt; die Feldstärke fällt mit zunehmendem Abstand viel schneller ab als etwa bei Mobilfunksendern.

Vermutlich werden induktive Ladeeinrichtungen zunächst für bestimmte Spezialanwendungen infrage kommen, etwa für eine schnelle Zwischenladung von Stadtbussen bei kurzen Halten, wo eine Kabelverbindung sicherlich nicht praktikabel wäre. Ähnliches ist vorstellbar für autonome Kleinfahrzeuge in Fabrikhallen.

Kühlung der Batterie

Bei besonders hohen Ladeleistungen ist eine aktive Kühlung des Batteriesystems notwendig. Viele Fahrzeuge haben so eine Einrichtung eingebaut, und sie wird dann automatisch aktiviert, wenn es nötig ist. Bei leistungsfähigen Ladestationen werden sogar die Ladekabel aktiv gekühlt.

Übrigens fallen die Energieverluste bei sehr schnellem Laden deutlich höher aus – nicht nur wegen des zusätzlichen Energiebedarfs für die Kühlung, sondern auch wegen der dann tendenziell nötigen etwas höheren Ladespannung.

Energieeffizienz

Da es um erhebliche Energiemengen geht, ist eine energieeffiziente Lösung natürlich wünschenswert. Hierzu müssen insbesondere die oben erwähnten Ladeverluste minimiert werden. Leider ist es oft nicht einfach, beispielsweise die von verschiedenen Ladestationen verursachten Energieverluste zu ermitteln (idealerweise natürlich vor dem Kauf), da verfügbare Angaben oft spärlich und unklar sind. Beispielsweise ist oft nicht klar, auf welche Ladesituation genau (z. B. Ladeleistung) sich solche Angaben beziehen und wie die Verluste in anderen Situationen wären.

Glücklicherweise sind aber die prozentualen Energieverluste in Ladestationen und bei im Fahrzeug integrierten Ladegeräten meist nicht dramatisch. Dies liegt auch daran, dass erhöhte Energieverluste auch eine entsprechende Menge von Wärme erzeugen würden, die im Gerät anfällt und durch eine entsprechende Kühleinrichtung entfernt werden müsste. Der Hersteller spart also oft Geld, indem er die Elektronik möglichst effizient gestaltet, um weniger in die Kühlung investieren zu müssen. Dies gilt insbesondere für leistungsstärkere Ladegeräte, wo es um entsprechend größere Mengen von Abwärme geht. Der größere Teil der Energieverluste dürfte dann in der Fahrzeugbatterie anfallen; diese Verluste liegen bei den typischen Lithium-Ionen-Batterien in der Größenordnung von 10 %. Gute Ladegeräte dürfen in der Regel Verluste von weniger als 2 % aufweisen. Gleichzeitig sollten Sie keinen wesentlichen Standby-Verbrauch haben.

Die höchste Energieeffizienz dürfte in der Regel bei mittleren Ladeleistungen erzielt werden – etwa in der Größenordnung von 20 kW. Dramatisch schlechtere Werte sollte allerdings weder die Schnellladung noch die langsame Ladung an der Steckdose bringen. Von daher ist die Energieeffizienz eher selten ein wichtiges Entscheidungskriterium für die Wahl der Ladetechnologie, außer beim induktiven Laden.

Sicherheitseinrichtungen

Anders als bei kleinen Haushaltsgeräten sind bei der Übertragung so hoher elektrischer Leistungen, wie sie zum Laden von Fahrzeugbatterien benötigt werden, diverse Sicherheitsaspekte zu beachten:

  • Es muss immer sichergestellt werden, dass die Fahrzeugkarosserie elektrisch auf Erdpotenzial bleibt, weil die Angelegenheit sonst für Personen, die neben dem Fahrzeug stehen, gefährlich werden könnte. Eine Elektronik muss also überprüfen, ob die Erdung auch tatsächlich funktioniert.
  • Sogenannte Fehlerströme, die sich über Ungleichgewichte zwischen den Strömen in den Leitungen des Ladekabels äußern, müssen verlässlich mit einem Fehlerstrom-Schutzschalter überwacht werden, um das Laden notfalls abzubrechen. Schließlich könnten Fehlerströme daher resultieren, dass eine Person etwa über ein Ladekabel mit beschädigter Isolation elektrisiert wird – auch wenn harmlose Ursachen genauso möglich sind. (Fehlerstromschutzschalter sind auch sonst im Haushalt allgemein üblich, vor allem für Badezimmer.)
  • Natürlich muss auch eine Zerstörung der Batterie durch Fehler beim Laden unbedingt vermieden werden. Wenn die Fahrzeugbatterie und in Folge das ganze Fahrzeug und womöglich noch mehr in Flammen aufginge, wäre der Schaden immens. Deswegen muss eine ganze Reihe von Abschaltkriterien sorgfältig implementiert werden.
  • Auch ein angemessener Schutz gegen Fehler durch Überspannungen aus dem Netz, beispielsweise durch Blitzeinschläge, ist sehr ratsam, um teure Ausfälle der Ladeinfrastruktur zu vermeiden.

Ladebetriebsarten

Für technische Interessierte: Man unterscheidet mehrere genormte Ladebetriebsarten (Lademodi) nach DIN EN 61851-1 (VDE 0122-1):

  • Ladebetriebsart 1: Diese wird nur für Zweiräder wie E-Bikes genutzt. Man verbindet das Fahrzeug über ein Kabel mit einer normalen Schutzkontakt-Haushaltssteckdose. Das Ladegerät befindet sich meist im Fahrzeug.
  • Ladebetriebsart 2: Hierzu benötigt man eine relativ kleine Steuer- und Schutzeinrichtung, welche normalerweise ein kleiner Kasten ist, durch den das Ladekabel verläuft, sowie ein kompaktes Ladegerät im Auto. Es geht auch hier um AC-Laden, und zwar ein- oder dreiphasig. Für Autos kommt dieses Verfahren zum Einsatz, wenn über eine normale Steckdose geladen wird, die selbst über keine besondere Sicherheitseinrichtungen verfügen muss. Man verwendet wiederum meist eine Schutzkontakt-Steckdose, seltener eine CEE-Steckdose.
  • Ladebetriebsart 3 (für Autos bislang dominierend): Auch hier wird AC-Laden ein- oder dreiphasig realisiert, aber mit einer z. B. im Gebäude oder im Freien fest installierten Ladestation (z. B. einer Wallbox), die die Sicherheitseinrichtungen enthält und über das Ladekabel mit der Elektronik im Fahrzeug auf standardisierte Weise kommuniziert. Die Kommunikation erfolgt über zusätzliche Steuerleitungen, die bei den in Europa verwendeten Typ-2-Systemen mit PP und CP bezeichnet werden. Zunächst teilt das Fahrzeug mit, dass es vorhanden und ggf. ladebereit ist. Umgekehrt gibt die Ladestation bekannt, einen wie hohen Ladestrom sie zur Verfügung stellen kann. Zusätzlich wird berücksichtigt, welchen Ladestrom das Ladekabel maximal übertragen kann; für diesen Zweck sind solche Kabel mit einer Widerstandskodierung versehen, die die Elektronik abfragen kann. Die Laderegelung erfolgt dann über das Ladegerät im Fahrzeug. Ladeleistungen bis 43 kW sind bislang möglich.
  • Ladebetriebsart 4: Dies ist das DC-Laden (Gleichstromladen) wie oben erklärt. Hier übernimmt die Ladestation die gesamte Laderegelung – natürlich basierend auf den Informationen über die Batterie (Ladezustand, maximaler Ladestrom), die sie vom Fahrzeug empfangen hat. Sehr hohe Ladeleistungen sind möglich.

Statt von Ladebetriebsart 3 (zum Beispiel) spricht man oft auch von Lademodus 3 oder Mode 3. Die Nummer der Ladebetriebsart hat wenig zu tun mit dem Typ der Steckverbindungen; beispielsweise nutzt man häufig Typ-2-Stecker für die Ladebetriebsart 3.

Planung von Ladeinstallationen

Vor allem wenn eine Kombination mehrerer Ladeeinrichtungen benötigt wird, ist eine gute Planung sehr ratsam. Dies betrifft nicht nur die Auswahl der Ladetechnologie (etwa AC oder DC), sondern auch etliche andere Details, etwa betreffend das Lastmanagement, die Verbrauchserfassung, Abrechnung und Authentifizierung der Nutzer, den Schutz der Ladeeinrichtungen (z. B. gegen Anrempeln und die Witterung) usw. Es gilt natürlich, teure nachträgliche Änderungen oder Nachrüstungen zu vermeiden, indem man gleich eine zukunftsfähige Lösung installiert – ggf. auch unter Berücksichtigung des womöglich bald steigenden Bedarfs für weitere Fahrzeuge.

Soweit bestimmte Technologien (etwa die Verwendung von Internet-Verbindungen für die Kommunikation) momentan noch nicht genutzt werden, sollten trotzdem geeignete Vorkehrungen getroffen werden, um eine Nachrüstung möglichst einfach und kostengünstig zu gestalten. Beispielsweise können Leerrohre für zusätzliche Netzwerkkabel sehr hilfreich sein.

Ladeleistung und Lebensdauer der Batterie

Grundsätzlich gilt, dass eine hohe Ladeleistung die Lebensdauer der Batterie reduzieren kann, und zwar einerseits durch die damit verbundene Erwärmung und andererseits durch elektrochemische Vorgänge in der Batterie, die mit der dann etwas erhöhten Ladespannung einhergehen. Dem Problem der Erwärmung begegnet man durch eine aktive Kühlung der Batterien, die natürlich je nach Fahrzeug mehr oder weniger effektiv sein kann. Das elektrochemische Problem wird dadurch ein gutes Stück weit entschärft, dass man die Ladeleistung z. B. ab einem Ladestand von 80 % erheblich reduziert, weil in dieser Situation die Batterie besonders empfindlich wird. Trotzdem dürfte die Lebensdauer ein Stück weit vermindert werden, wenn eine Batterie häufig der Schnellladung unterzogen wird.

Man beachte aber, dass eine Ladeleistung von z. B. 20 kW aus einer Wallbox für eine typische Fahrzeugbatterie noch keine besondere Belastung bedeutet; schließlich muss die Batterie im Fahrbetrieb (vor allem beim kräftigen Beschleunigen) zumindest kurzzeitig viel höhere Leistungen (oft mehr als 100 kW) abgeben und beim Bremsen mit Energierückgewinnung (Rekuperation) auch wieder aufnehmen. Von daher hängt die Lebensdauer viel mehr davon ab, ob man die Batterie häufig durch “sportliches” Fahren mit starker Beschleunigung und starkem Bremsen belastet.

Generell kann man davon ausgehen, dass Batterien mit hoher Kapazität auch entsprechend höhere Ladeleistungen vertragen – und für eine angemessene Ladezeit ja auch brauchen.

Melde- und Genehmigungspflichten; Datenschutz

Da der Betrieb von Ladestationen im Prinzip einen negativen Einfluss auf das jeweilige Verteilungsnetz haben kann, gibt es unter bestimmten Voraussetzungen Melde- und Genehmigungspflichten. In Deutschland entsteht nach §19 Niederspannungsanschlussverordnung (NAV) seit März 2019 für alle Ladepunkte (auch mit kleinen Leistungen) eine Meldepflicht, also eine Pflicht zur Mitteilung an den jeweiligen Verteilungsnetzbetreiber. (Dies ist der örtliche Netzbetreiber, nicht unbedingt der vom Kunden ausgewählte Stromanbieter.) Damit erhalten die Netzbetreiber einen Überblick über die Lage, was ihnen dabei hilft, die Netzstabilität ggf. durch geeignete Maßnahmen zu gewährleisten.

Oberhalb von 12 kW (genauer gesagt ab einer Scheinleistung von 12 kVA) gibt es sogar eine Genehmigungspflicht, d. h. der Netzbetreiber kann die Errichtung unter Umständen ablehnen oder zumindest Zusatzauflagen machen, die die Kosten erhöhen können.

Müssen alle öffentlich zugänglichen Normal- und Schnellladepunkte mit einer Leistung ab 3,7 kW mindestens vier Wochen vor dem geplanten Beginn des Aufbaus der Bundesnetzagentur gemeldet werden. Für Schnellladepunkte (ab 22 kW) gilt hierbei auch eine Nachweispflicht für die Erfüllung technischer Anforderungen. Die Verwendung der genormten Stecker ist dabei auch Pflicht.

Diverse Normen und Regelungen werden derzeit überarbeitet, könnten also demnächst geändert werden. Hier sind verschiedene berechtigte Interessen miteinander zu vereinbaren. Einerseits soll die Entwicklung der Elektromobilität nicht unnötig behindert und verteuert werden. Andererseits ist natürlich zu vermeiden, dass die Netze destabilisiert werden und zusätzliche Infrastrukturkosten entstehen.

Zusätzlich ist in diesem Zusammenhang auch der Datenschutz zu berücksichtigen, insbesondere für eine Abrechnung der Ladekosten, für die einige Daten erhoben werden müssen. Es wird notwendig sein, entsprechende Verfahren mit größtmöglicher Datensparsamkeit einzurichten, beispielsweise um die Ermittlung von Bewegungsprofilen zu unterbinden, die detaillierten Aufschluss über das Nutzungsverhalten der Fahrzeugbenutzer geben könnten.

Lastmanagement

Die Belastung der Batterie ist das eine, diejenige der Stromnetze das andere. Hierbei ist nicht so sehr an die landesweite Stromerzeugung zu denken, auch weniger an die überregionalen Stromnetze, sondern vor allem auf zwei niedrigere Ebenen: an die lokalen Verteilungsnetze wie auch an die Netzanschlüsse einzelner Wohnanlagen oder Gewerbebetriebe, z. B. für die Versorgung ihres ganzen Fuhrparks.

Die Verteilungsnetze wurden vor Jahrzehnten mit einer Dimensionierung errichtet, bei der der Betrieb vieler Elektroautos nicht vorgesehen war. Als normal galt, dass einzelne Haushalte öfter mal z. B. 5 kW für mehrere Platten des Elektroherds beziehen, einzelne auch z. B. 20 kW für eine Elektrospeicherheizung. Wenn nun aber zu jeder zweiten Wohnung in einer Straße noch ein Elektroauto kommt, welches mit 20 kW oder mehr geladen werden soll, und dies häufig noch zur gleichen Zeit (etwa am Spätnachmittag nach Rückkehr von der Arbeit), gelangt man rasch an die Belastungsgrenzen des lokalen Stromnetzes. Bei deren Überschreitung könnte es auch zu lokalen Stromausfällen kommen.

Nun wäre es aber leider ein sehr teures Unternehmen, die z. B. neben den Straßen vergrabenen Stromleitungen durch stärkere zu ersetzen – neben der restlichen Infrastruktur, vor allem den Verteilnetztransformatoren. Umgelegt auf die einzelnen Haushalte wäre dies eine erhebliche Zusatzbelastung.

Auch für die einzelnen Kunden der Energieversorgungsunternehmen ist es wegen der Kosten wünschenswert, die nötige Anschlussleistung zu begrenzen. Manche haben auch einen Stromtarif mit Leistungspreis, der von der maximal tatsächlich bezogenen Leistung abhängt. In manchen Fällen werden Ladestationen auch als steuerbare Verbrauchseinrichtungen (mit Rundsteuertechnik) betrieben, was günstigere Stromtarife ermöglicht.

Man versucht also, mit den vorhandenen Netzkapazitäten bzw. mit möglichst niedrigen Anschlussleistungen auszukommen, wo immer das möglich ist. Dies wird bei zunehmender Verbreitung von Elektroautos zwingend ein mehr oder weniger ausgefeiltes Lastmanagement erfordern, und für manches Gewerbe ist diese Frage bereits ganz aktuell. Entsprechende Konzepte werden derzeit intensiv diskutiert und teils auch schon praktisch realisiert. In der nahen Zukunft wird dies vor allem für die städtischen Verteilnetze ausgeweitet werden müssen, um unnötige Kostenbelastungen zu vermeiden.

Im Kern geht es darum, dass das Laden vieler Fahrzeuge in geeigneter Weise zeitlich verteilt wird. Dies sollte natürlich realisiert werden, ohne die für die Fahrzeuge oder Gebäude nötige Technik erheblich zu verteuern. Die Benutzung solcher Einrichtungen könnte für die Fahrzeugbetreiber mit entsprechenden Entlastungen bei den Stromkosten belohnt werden. Beispielsweise kann man mit einem zeitabhängigen Stromtarif arbeiten – wobei aber idealerweise die Tarifzeiten nicht fest vorgegeben sind, sondern sich täglich neu an der realen Situation orientieren. Entsprechende Informationen müssten natürlich automatisch an die Ladeinfrastruktur übermittelt werden (etwa per Internet), sodass diese mittels ihrer Computer etwa in den Ladegeräten unter Berücksichtigung der Wünsche der Fahrzeugbenutzer die Ladestrategie optimieren können. Wenn beispielsweise ein Fahrzeug am Spätnachmittag an die Ladestation in der Garage kommt und die Station “weiß”, dass es am nächsten Morgen um 8:00 Uhr wieder benötigt wird (mit einem gewissen Mindest-Ladezustand), kann es die Ladung auf die jeweils günstigsten Nachtstunden verlegen. Ein anderer Ansatz wäre, die Ladeleistung im Falle mehrerer Stationen auf einem Grundstück zu reduzieren, sobald mehrere Stationen gleichzeitig genutzt werden. Dies erschwert allerdings das Lademanagement insofern, dass nicht im Voraus bekannt ist, wann welche Leistung wann zur Verfügung stehen wird.

Damit das lokale Verteilnetz möglichst effektiv entlastet wird, müsste der jeweilige Strompreis für jedes Wohngebiet separat festgelegt werden, und zwar durch den lokalen Netzbetreiber, der über die aktuellen Daten der lokalen Netzbelastung verfügt und ebenfalls über die Lage auf dem überregionalen Strommarkt Bescheid weiß.

Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung von stationären Pufferbatterien, die bei Engpässen zeitweise zusätzliche Energie zur Verfügung stellen können. Für solche Zwecke wird man zukünftig vielleicht auch ausgediente Fahrzeugbatterien verwenden, z. B. aus anderweitig nicht mehr einsatzfähigen Fahrzeugen oder wenn ihre Kapazität für den Fahrzeugeinsatz zu stark abgenommen hat. Natürlich ist das zeitlich versetzte Laden kostengünstiger realisierbar als der Einsatz von Pufferbatterien, aber dies ist eben eher eine Option für über Nacht geladene Fahrzeuge als insbesondere für Autobahnraststätten, wo ein schnelles Laden wichtig ist.

Mit den genannten technischen Maßnahmen des Lastmanagements könnten kostspielige Netzausbauten vermieden werden. Zusätzlich würde die Nutzung erneuerbare Energien deutlich erleichtert; beispielsweise könnten Überschüsse von Windstrom an windreichen Tagen gezielt zur Ladung vieler Fahrzeugbatterien genutzt werden, während vor allem bei Dunkelflauten oder dem Ausfall von Kraftwerken die Fahrzeuge zurückhaltender geladen würden.

Offenkundig ist es höchst wünschenswert, dass nicht ein Wildwuchs unterschiedlichster Lademanagementsysteme entsteht, sondern ein gut durchdachter generell anwendbar Ansatz. Es ist natürlich eine Aufgabe der Energiepolitik, solche Entwicklungen in Zusammenarbeit mit der Industrie gezielt zu koordinieren, um baldige und volkswirtschaftlich möglichst kostengünstige Lösungen zu ermöglichen. Ein Durcheinander unkoordiniert entwickelter Technologien sollte bereits im Ansatz verhindert und nicht erst später durch eine gute Lösung ersetzt werden.

Das Konzept der Wechselbatterien würde natürlich das Lastmanagement stark erleichtern, da diese ja problemlos bei der besten Gelegenheit geladen werden könnten. Gerade für Autobahnraststätten wäre das von daher interessant. Jedoch ist fraglich, ob dieser spezielle Anwendungsfall die breite Einführung einer solchen Technologie (mit der Einbindung vieler Autohersteller) rechtfertigen würde. Für den Langstreckenverkehr sollten eher andere Mobilitätslösungen (v. a. die Bahn) verwendet werden.

Rückspeisung in das Stromnetz

Der Beitrag von Elektroautos zur Energiewende könnte sogar noch weiter gestärkt werden, wenn eine Rückspeisung in das Stromnetz vorgesehen würde (bidirektionales Laden). Zu kritischen Zeiten, in denen es an Stromerzeugung es den mangelt, könnte also den Fahrzeugbatterien wieder Energie entnommen werden, soweit es die Anforderungen der Fahrzeugbenutzer erlauben. Der technische Zusatzaufwand gegenüber dem für ein gutes Lastmanagement (Wechselrichter, Steuerung etc.) dürfte sich in Grenzen halten. Jedoch ist es derzeit wohl noch nicht völlig klar, wie groß der Lösungsbeitrag tatsächlich wäre und inwieweit sich eine Realisierung lohnt. Schließlich gibt es auch diverse andere mögliche Ansätze.

Kombination mit der heimischen Solaranlage

Wer etwa auf dem Eigenheim eine Photovoltaikanlage betreibt, wird gerne möglichst viel vom erzeugten Solarstrom für sein Elektroauto nutzen wollen. Es ist auch finanziell von Interesse, das Auto vorrangig dann zu laden, wenn Solarstrom zur Verfügung steht und nicht schon für andere Zwecke verbraucht wird (etwa einen Elektroboiler). Das liegt daran, dass man für überschüssigen Strom, den man ins Netz einspeist, zwar eine Einspeisevergütung erhält, dass diese allerdings mittlerweile sehr viel niedriger ist als das, was man für zu anderen Zeiten bezogenen Strom bezahlt. Es geht also um die Maximierung des Eigenverbrauchs.

Ohne zusätzliche Technik lässt sich dieses Ziel ein Stück weit erreichen, indem man beispielsweise das Auto möglichst immer dann zum Laden einsteckt, wenn die Solaranlage gerade gut produziert. Allerdings hat dieser Ansatz natürlich praktische Grenzen; beispielsweise setzt das Jahr voraus, dass man zu Hause ist und nebenbei immer auch auf diese Dinge achten kann.

Etwas besser funktioniert es bereits, wenn entweder im Fahrzeug oder in der Ladestation die Möglichkeit besteht, das Laden im Voraus zeitlich festzulegen – beispielsweise bei der Ankunft zu Hause von einer Fahrt. Auch hier müsste man aber immer wieder daran denken, was sicherlich nicht jedermanns Sache ist.

Am besten ist es sicherlich, wenn das Laden automatisch über ein Heim-Energiemanagement-System optimiert wird. Solche Möglichkeiten dürften demnächst breiter zur Verfügung stehen, etwa im Zusammenhang mit zeitlich flexibel variablen Stromtarifen wie oben beschrieben.

Ladeinfrastruktur für Mieter

Für Mieter von Wohnungen ist es oft schwierig, eine geeignete Ladeinfrastruktur für ein Elektroauto zu erhalten. Schließlich müsste eine solche Infrastruktur vom Hausbesitzer errichtet und zumindest weitgehend bezahlt werden, wozu dieser in der Regel nicht gezwungen werden kann. Vor allem wenn das Interesse vorwiegend beim Mieter liegt, ist über eine angemessene Kostenbeteiligung nachzudenken, auch wenn die Ladeeinrichtungen am Ende dem Besitzer gehören und nicht dem Mieter.

Natürlich sollten Vermieter entsprechende Wünsche der Mieter nicht einfach ignorieren, denn Ladepunkte können wichtige Merkmale für die Attraktivität einer Wohnung sein. Bei Neubauten und größeren Sanierungen wird es ab 2025 auch ein Pflicht geben, zumindest eine Vorverkabelung für Ladepunkte einzurichten.

Prinzipiell gelten natürlich die gleichen technischen Einschränkungen wie für die Hausbesitzer selbst – etwa dass es oft kaum praktikabel ist, eine Ladesäule für im Freien abgestellte Fahrzeuge (gar auf öffentlichem Grund) bereitzustellen. Dazu kommen bei Mehrfamilienhäusern Notwendigkeiten wie die Verbrauchserfassung und Abrechnung – entweder direkt über die Stromrechnung des Mieters oder aber über einen separaten Dienstleister. Auch der Zugang zu den mit Ladeeinrichtungen ausgestatteten Stellplätze muss geregelt werden. Insgesamt sollten etliche Aspekte im Voraus sorgfältig überlegt werden, um eine kosteneffiziente und zukunftsfähige Infrastruktur zu errichten.

Meist wohl nur eine Notlösung für Mieter ist es, das Fahrzeug nur an anderen Stellen zu laden – etwa an öffentlichen Ladestationen, z. B. bei Einkaufszentren oder an Autobahnraststätten. Früher oder später wird man das Laden am Wohnort benötigen. Die Hemmnisse auf diesem Wege sind einer der Faktoren, die die Ausbreitung der Elektromobilität im Bereich der Privatfahrzeuge bremsen.

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Siehe auch: Elektroauto, Batterie, Kapazität einer Batterie, Lastmanagement, induktive Energieübertragung

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