Lade-Mythen

Mythos: wenn alle E-Autos gleichzeitig laden dann bricht das Stromnetz zusammen

By 12 February 2019 No Comments

Haben wir genug Strom, wenn alle elektrisch fahren?

Mythos: wenn alle E-Autos gleichzeitig laden dann bricht das Stromnetz zusammen

Dieser Mythos ist sogar richtig. Wenn alle zur selben Zeit anstecken und laden, und daneben auch weiter Kochen und Fernsehen und die Waschmaschinen anschalten, dann ist das Stromnetz überlastet. Das gilt allerdings auch fürs Kochen. Wenn alle zur selben Zeit den Herd einschalten, dann ist das Stromnetz ebenfalls überlastet.

Aber der Reihe nach. Es ist genug Strom da.

Fun Fact: 5 Umdrehungen eines Windrads laden ein durchschnittliches E-Auto vollständig auf.

Wir haben schon jetzt genug Strom so dass morgen alle E-Auto fahren könnten. Es ist schon heute genug Strom da, man muss die Ladevorgänge nur intelligent über den Tag verteilen.

Das Thema ist sehr spannend, und wenn man einige Dinge aus dem Zusammenhang reißt lassen sich auch schöne Horror-Szenarien an die Wand malen.

Um das Thema wirklich systematisch anzugehen muss man sich erstmal die Zahlen vergegenwärtigen:

  • In Deutschland gibt es 42 Mio. PKW die etwa 600 Mrd. Kilometer im Jahr fahren und dafür 84 TWh elektrische Energie benötigen würden, wenn alles E-Autos wären.
  • Deutschland produziert pro Jahr etwa 580 TWh Energie. Davon sind 72 TWh Kernkraft, 210 TWh sind erneuerbare Energien und 216 TWh sind Braun- und Steinkohle.
  • Davon wurden 53 TWh exportiert ins Ausland (Export-Überschuss 2017).

Und jetzt wird es spannend: Solar und Wind nimmt zu. Allein von 2016 auf 2017 wurden 28 TWh an Wind- und Solarleistung installiert. In fast gleichem Maße sind die Exporte gestiegen und der Trend geht weiter, weil bestehende Solaranlagen lange halten und weiter neue zugebaut werden.

Allein die Windkraft-Anlagen haben 2017 schon 104 TWh erzeugt – und das Laden von E-Autos kann gesteuert werden, so dass primär bei Sonne und Wind geladen wird (92% der Ladevorgänge passieren zu Hause oder im Büro, wo länger geparkt als geladen wird).

Der Strom ist da, aber oft am falschen Ort, zur falschen Zeit. Hier hilft, dass ein E-Auto, wenn es zu Hause oder bei der Arbeit geladen ist oft viele Stunden abdeckt, jedoch für das „Auffüllen“ der täglichen Fahrleistung nur ca. 20-40 Minuten benötigt. Man hat also viel Zeit den Ladevorgang zu schieben. Ein E-Auto muss zur gewünschten Abfahrtszeit vollgeladen sein, in den meisten Fällen ist es ausreichend, wenn man abends noch 350km Rest-Reichweite hat, und am nächsten Morgen dann wieder die vollgeladenen 400km. Natürlich gibt es immer Nutzer, die gerade eine lange Strecke absolviert haben und gleich laden möchten, das ist jedoch auch zu den Kern-Urlaubszeiten („Pfingstwochenenden“) ein einstelliger Prozentbereich, und geht gleichzeitig mit einer Reduktion der heimischen Stromaufnahme („kein Waschen / Kochen daheim“) einher. Die Studie von Oliver Wyman hat dazu festgestellt:

Wenn sich das flexible Laden von E-Autos durchsetzt, könnte ein Netzausbau vollständig überflüssig werden.

Autos werden im Mittel etwa 15 Jahre gefahren. Wenn im Jahr 2025 die Hälfte aller Neuzulassungen E-Autos sind, dann fährt die andere Hälfte noch bis 2040 Verbrenner, der Wechsel ist also schleichend und ermöglicht die „Deckungslücke“ beim konstanten Zubau von Solar bequem zu schließen.

Warum steht dann in manchen Publikationen, dass es nicht geht?

Die Argumentation lässt sich gut an einem Artikel im “Spektrum der Wissenschaft” nachvollziehen: Vince Ebert macht im Artikel “Was wäre, wenn wir alle elektrisch fahren würden?” die folgende Rechnung auf:

die Bundesregierung plant 1 Mio. Elektrofahrzeuge ab 2020 (richtig) und plant den Aufbau von 350 kW Schnellladern im gesamten Land (auch richtig). Es ist 20 Uhr, und “nur 10%” der E-Auto Besitzer wollen ihre E-Autos aufladen, dann bräuchte man 35 000 Megawatt – was 35.000 Windrädern oder 23 Kohlekraftwerken entspricht. Und dass bei nur 1 Mio. E-Autos, oder eine Solaranlage in der Größe des Saarlands. Und schon ist ein Horror-Szenario aufgebaut. Der Trick ist nicht ganz einfach zu sehen.

Der Fehler ist subtil versteckt. Ein 350kW Lader ist die maximale Ausbaustufe, die geplant ist. Diese werden an Autobahnen installiert um das Laden auf Fernstrecken zu ermöglichen und eine Ladegeschwindigkeit zu erreichen wie Benzin tanken. Aber auch im Jahr 2040, wenn alle E-Auto fahren wären 100.000 Ultra-Fast-Charger viel zu viel. Vince Ebert unterstellt, dass jeden Abend 100.0000 E-Auto Fahrer die Schnelllader überrennen und gleichzeitig laden. Jedes E-Auto kann an so einem Lader in einer (!) Minute seine durchschnittliche Tagesfahrleistung auffüllen, den Rest des Tages – 23 Stunden und 59 Minuten – würden diese 100.000 Schnelllader ungenutzt herumstehen, und auch die 35.000 Windräder, bis am nächsten Tag wieder 100.000 Nutzer zur selben Minute kommen. Der Fachbegriff heißt „Gleichzeitigkeit“.

Würde man die Nutzung nur etwas verteilen, so dass tagsüber jeweils einer jede Stunde die Säule nutzt, reicht ein einziges Kraftwerk – und die Säulen würden trotzdem noch zu über 98% frei sein. Das klingt natürlich deutlich weniger dramatisch.

Das Tankstellennetz ist in über 100 Jahren gewachsen. Es passt genau zum Bedarf. Heute haben wir 360 Tankstellen an den Autobahnen und 15.000 Tankstellen insgesamt für die gesamte PKW Flotte. Egal ob die Zukunft jetzt Schnelllader sind, an denen jemand seinen Kilometerbedarf auffüllt, oder langsam zu Hause, der Bedarf ist planbar.

Technik im Detail: Im Speckgürtel

Eine weitere Diskussion entbrennt oft über den Ausbau des Stromnetzes. Brauchen wir Hochleistungstrassen, müssen alle Straßen aufgerissen werden. Hierzu begibt man sich am besten in die Vororte. Auch wenn der E-Auto-Anteil noch im einstelligen Bereich ist, so zeichnen sich jetzt schon “Hot Spots” ab bei denen der Anteil überproportional schnell ansteigt.

Die schnellste Verbreitung zeigen E-Autos in Vororten. Hier ist zu erwarten, dass die 30% Marktanteil bereits 2025 erreicht werden. Da Elektroautos in Vororten meist zuhause geladen werden – und dort auch sofort mit dem Laden beginnen, wenn angesteckt wird, liegt die eine mögliche Quelle für Engpässe im Ortsnetz.

In Deutschland stehen etwa 600.000 Trafostationen die im Schnitt etwa 100-150 Haushalte versorgen („Ortsnetz“). Pro Haushalt wird dabei eine „Gleichzeitigkeit“ von 2-3kW angenommen – wenn also alle Haushalte in einem Ortsnetz heute gleichzeitig kochen würden käme es schon jetzt zu einem Problem.

Wird ein Elektroauto an das Netz angeschlossen, beginnt der Ladevorgang grundsätzlich sofort und verbraucht einen deutlichen Anteil an der “Gleichzeitigkeit”. Dadurch entsteht vor allem abends eine kritische Spitzenlast, wenn die Elektroauto-Besitzer zuhause ankommen und ihre Autos an die Ladestationen anschließen. In Momenten hoher Gleichzeitigkeit wird das Ortsnetz zum Engpass, da es derzeit auf diese zusätzliche Belastung nicht ausgelegt ist.

Die Gefahr: Es kommt zu einer erheblichen Überschreitung der maximalen Kapazität im Ortsnetz und dadurch zu einem Ausfall der Stromversorgung. Zeitabhängige Tarife verschieben den Ladebedarf in die Nachtzeiten, zu denen das Ortsnetz wenig belastet ist. E-Autos laden mit 2-22kW, wobei sich 11kW als Standard für die Zukunft herauszubilden scheint.

Heißt auch, wenn in jedem 4. Haushalt ein E-Auto lädt, ist der Trafo voll ausgelastet auch wenn man den Ladevorgang in die Nacht geschoben hat, berücksichtigt man auch die Ruhelast der Wohnungen von ca. 300W – kommt man zum Ergebnis dass reine Tarifgesteuerte Preismodelle in Ortsnetzen nur bis ca. 15% Marktanteil helfen, danach müssen intelligente Steuerungen der Fahrzeug-Ladung genutzt werden, entweder über die Lade-Einrichtung (Wallbox) oder über das Fahrzeug selbst falls dieses an einer „Dummen“ Wallbox lädt oder an einem Schuko- oder CEE-Stecker der nicht regeln kann.

In den letzten Jahren mussten bereits einige dieser Trafostationen ausgebaut werden da zur Mittagszeit in einigen Gegenden die Solarerzeugung in einem Ortsnetzbereich den Verbrauch überschritten hat, dadurch wurde Strom zurück ins Mittelspannungsnetz gespeist, inzwischen sind die Stationen digitalisiert und können flexibler reagieren.

Ausblick: Bidirektionales Laden (V2X)

Eine weitere Entlastung bringt „Vehicle to Home“ (V2H) und „Vehicle to Grid (V2G). Hier kann Energie aus dem Fahrzeug wieder zurück ins Haus oder sogar ins Ortsnetz eingespeist werden. Einige Fahrzeuge japanischer Hersteller (Mitsubishi, Nissan) können das bereits mit Hilfe einer speziellen rückspeisefähigen Wallbox. In Holland gibt es bereits Ortsnetze, die tagsüber den Solarstrom in Fahrzeuge laden über normale Wallboxen am Arbeitsplatz und am Straßenrand. Abends geben die Fahrzeuge etwas vom gespeicherten Strom zurück ins Netz und entlasten so die Spannungsspitze, die in den Abendstunden entsteht, und das Ganze auf Ortsnetz-Ebene. Die zu verteilende Energie wird so durch E-Autos deutlich reduziert, die Gesamtbelastung des Stromnetzes sinkt und damit auch der Bedarf für große Ausgleichs-Trassen.

Ein flexibel steuerbares, rückspeisefähiges Auto kann genug Leistung bereitstellen um den Gleichzeitigkeitsbedarf von 5 Haushalten zu decken. 20 V2G-fähige Fahrzeuge in einem Ortsnetz können komplette Autarkie für das Netz herstellen und so das Stromnetz nicht nur entlasten, sondern bis hin zur Notstromversorgung stabilisieren. Da dieses Szenario Investitionen in Milliardenhöhe einspart auf Versorgerseite und zusätzlich den Wechsel zu erneuerbaren Energien unterstützt, werden die bestehenden Förderungen in diesem Bereich mit Sicherheit weitergeführt oder noch ausgebaut. Erste Startups und Projekte innerhalb vom Stadtwerken (Elektrizitätswerke Schönau, nextKraftwerke, Sonnen, Lichtblick, ENECO…) – und Hersteller wie BMW mit seinem „Digital Charging Service“, Audi mit dem „Audi Connect Charging Service“, Tesla mit der Powerwall und den Solar-Dachziegeln – haben bereits Produkte am Markt um intelligent auf verschiedene Anreizsysteme zu reagieren, oder ganz einfach den eigenen Solarstrom ins Auto zu laden – die günstigste Art von allen.

Und die Brennstoffzelle?

Das Brennstoff-Zellen Fahrzeug ist auch ein E-Auto. Die Brennstoffzelle (Fuel Cell, oder wie E-Auto Fans sagen „Fool Cell“) hat im PKW Bereich eigentlich keine Zukunft. Der Wirkungsgrad von unter 50% (Strom zu Wasserstoff und dann wieder zurück) ist zu schlecht – ein reines E-Auto kommt doppelt soweit mit derselben Energie. Tesla hat angekündigt im Jahr 2020 ein Auto auf dem Markt zu bringen mit 1.200km rein elektrischer Reichweite. Damit ist die Geschichte auserzählt warum man auf einem 700 Bar Tank sitzen

sollte.

Defekte Wasserstoff-Tankstelle bei Frankfurt

Und auch das Brennstoffzellen-Auto braucht einen Akku als Zwischenspeicher, da die Brennstoffzelle träge ist und ca. 15 Sekunden braucht um auf eine Leistungsänderung zu reagieren. Und wenn ein Akku verbaut ist, kann man diesen auch gleich richtig auslegen und die Brennstoffzelle weglassen. Für Lastwagen oder Langstrecken-Busse kann die Brennstoffzelle interessant sein. Für Busse im Stadtverkehr ist der Akku schon da, allein BYD in China liefert alle 5 Wochen inzwischen 10.000 elektrische Busse aus, hier ist die E-Mobilität schon angekommen im Markt.

Synthetische Kraftstoffe

Manchmal werden als Alternative zum E-Auto noch synthetische Kraftstoffe ins Feld geführt, “weil sonst nicht genug Strom da ist”. Das ist leider komplette Träumerei. Die Herstellung von synthetischen Kraftstoffen verbraucht ebenfalls große Mengen Energie, und wird dann im Motor verbrannt der nur einen Wirkungsgrad von 25% hat. So kann die Mobilität von Morgen nicht gelingen. Vielleicht um Spezial-Fahrzeuge zu betreiben, aber im PKW-Bereich bestimmt nicht. Und die Spezialfahrzeuge werden dann einfach mit einer Brennstoffzelle ausgestattet, daher hat das eigentlich keine Zukunft.

Zusammenfassung

Wir haben genug Energie für E-Autos, und wir werden durch den Zubau an erneuerbaren Energien noch deutlich mehr Energie haben, nur nicht immer zur richtigen Zeit. Die Ladevorgänge müssen verteilt werden über den Tag, damit Engpässe vermieden werden. Anreize für den Kunden wie variable Preise, Möglichkeit eigenen Solarstrom zu laden, intelligentes Laden werden heute schon erprobt und in einigen Ländern erfolgreich eingesetzt. Zugleich helfen Anreizsysteme die Kosten für den Netzausbau zu minimieren.

Wie beim Mobilfunk wird sich die Belastung des Stromnetzes verteilen über die Masse der Nutzer – und ist heute schon planbar. Um die Frage woher der ganze Strom kommen soll kümmern sich Ingenieure weltweit – allen voran die Energieversorger.