Elektromobilität „Das heutige Stromnetz ist eine veraltete Infrastruktur“

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Knapp sieben Millionen Elektrofahrzeuge haben die Autohersteller 2021 weltweit verkauft. Das belastet das Stromnetz. Warum Autos mit dem Stromnetz kommunizieren müssen und der Straßenverkehr neu gedacht werden muss.

Die Internationale Energieagentur (IEA) ist eine internationale Organisation mit Sitz in Paris und überwacht den globalen Energiesektor. Mehr als 300 Millionen Elektrofahrzeuge erwartet die IEA bis zum Ende dieses Jahrzehnts auf den Straßen. Die Elektrofahrzeuge werden dann 60 Prozent der Neuwagenkäufe ausmachen. Zum Vergleich: Heute beträgt der Anteil noch 4,6 Prozent bei den Neuwagenverkäufen [1].

Während der Markt für Elektrofahrzeuge weiter gewachsen ist, haben die zunehmenden Maßnahmen der Regierungen [2] zur Reduzierung der CO₂-Emissionen und zur Förderung des Verkaufs von Elektrofahrzeugen den Wandel weiter gestärkt. Dazu gehören die CO₂-Emissionsvorschriften der Europäischen Union für Pkw und Transporter, das kalifornische ZEV-Mandat (Zero-Emission Vehicle), das chinesische NEV-Mandat (New Energy Vehicles) und der jüngste Anstieg der Ölpreise.

Elektromobilität erhöht den Druck auf das Stromnetz

In den nächsten zehn Jahren wollen viele Automobilhersteller ihre Flotten auf Elektroantrieb umstellen, wobei einige von ihnen ankündigen, ihre Fahrzeugflotten innerhalb von fünf Jahren vollständig elektrisch betreiben zu wollen [3]. Die Produkte der Automobilhersteller entsprechen den sich weiterentwickelnden Industriestandards für Sicherheit, Abgastests und Energieeffizienz.

Notwendig sind elektrische Antriebsstränge und Elektrofahrzeuge, die den Sicherheits-, Regulierungs- und Umweltanforderungen gerecht werden. Dieser tiefgreifende Wandel stellt einen grundlegenden Paradigmenwechsel dar und bringt eine Reihe von Problemen mit sich. Dazu gehören ein größerer Druck auf das Stromnetz und ein Bedarf an nachhaltigen, umweltfreundlichen Materialien.

Bis 2030 vier Prozent des weltweiten Strombedarfs

Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen steigen nicht nur die Anforderungen an die Infrastruktur und die Herstellung der Fahrzeuge. Auch die Regulierung steht vor Veränderungen. Sie alle haben Einfluss auf die Automobilbranche. Der große Unterschied zwischen der bisherigen Technologie des Verbrennungsmotors und der von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen stellt enorme Hindernisse dar, von denen keines wichtiger ist als das Stromnetz.

Der Energie- und der Automobilsektor waren seit ihrer Entstehung unabhängig voneinander tätig. Elektrofahrzeuge benötigen elektrische Energie und die Ladestationen sollen das batterieelektrische Auto in weniger als zehn Minuten mit Strom versorgen. Dazu ist eine große Menge an Strom notwendig. Die IEA geht davon aus, dass Elektrofahrzeuge bis zum Jahr 2030 4 Prozent des gesamten weltweiten Strombedarfs ausmachen werden, was dem Doppelten des derzeitigen brasilianischen Gesamtstromverbrauchs entspricht.

Stromversorger müssen für Energiesicherheit sorgen

Die Menge an Elektroautos, die zum derzeitigen Stromnetz hinzukommen wird, ist ein Rezept für eine Katastrophe. Das bestehende Stromnetz wurde hauptsächlich mit konventionellen Kraftwerken betrieben. Sie bieten ein Mindestmaß an Grundlaststromerzeugung und damit Energiesicherheit. Die Stromversorger hatten in der Vergangenheit konstante und vorhersehbare Lastmuster mit minimalen Schwankungen, was die Aufgabe des Ausgleichs von Stromangebot und -nachfrage vereinfacht hat.

Der Übergang von konventionellen Kraftwerken zu erneuerbaren dezentralen Energiequellen (Distributed Energy Resources, DER), wie Solar- und Windenergie im Stromnetz, führt zu einer variableren Energieversorgung und weniger konsistenten Lastmustern. Hier müssen die Versorgungsunternehmen gegensteuern. Mehr Elektrofahrzeuge könnte die erhöhte Belastung des Netzes zu einem Missverhältnis zwischen Stromangebot und -nachfrage führen. Das wiederum könnte zu systemweiten Ausfällen führen.

Das Stromnetz ist überlastet

Das heutige Stromnetz ist eine veraltete Infrastruktur, die dringend überholt werden muss. Es ist unzureichend auf diese Energie- und Verkehrsrevolution vorbereitet. Es ist überlastet und muss erheblich modernisiert werden, um die Effizienz und Widerstandsfähigkeit zu verbessern. Angesichts dieser Komplexität müssen die Akteure des Stromnetzes auf standardisierte, einfallsreichere Weise arbeiten, um die Flut von Elektrofahrzeugen im nächsten Jahrzehnt zu bewältigen.

Wir müssen Standards schaffen, die es Elektrofahrzeugen ermöglichen, als aktiver Teilnehmer die Leistungsfähigkeit des Stromnetzes zu gewährleisten. Elektrofahrzeuge dürfen nicht als eine lästige Last gesehen werden. Diese Form der Beziehung zwischen dem Netz und den Elektrofahrzeugen kann durch die Leistungsübertragung des Vehicle-to-Grid (V2G) realisiert werden.

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Autos kommunizieren mit dem Stromnetz

V2G wird durch neue intelligente Techniken zur Energieumwandlung und durch die in Elektrofahrzeuge und Ladestationen eingebauten Kommunikationsmöglichkeiten mit dem Energieversorger ermöglicht. Damit sind Autos in der Lage, mit dem Stromnetz zu kommunizieren und es gleichzeitig zu stabilisieren, indem sie den Akku des Elektrofahrzeugs als netzgebundenes Energiespeichersystem nutzen.

Allerdings stehen V2G derzeit noch regulatorische Hürden im Weg – Elektrofahrzeuge und Ladestationen für Elektrofahrzeuge müssen letztlich neue und sich entwickelnde Standards für die Zusammenschaltung und Interoperabilität mit dem Stromnetz erfüllen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Betreiber von Versorgungsunternehmen über die Tools verfügen, die sie für die Ladesysteme für Elektrofahrzeuge benötigen.

Auf diese Weise können sie die Ausbreitung von Elektrofahrzeugen steuern und sie als Ressource nutzen, um den vielfältigen Energiemix und die wechselnden Anforderungen des modernen Stromnetzes zu bewältigen. Sie können nicht nur laden, sondern auch überschüssige Energie in das Netz zurückspeisen und so die Gesamtausfallsicherheit verbessern.

Metalle, Kunststoffe und Seltene Erden

Herkömmliche Automobile enthalten große Mengen an Metall, sowohl in der Karosserie als auch in den Motorteilen. Elektrofahrzeuge benötigen große Mengen anderer Elemente, darunter Nickel, Mangan, Kohlenstoff und Lithium (für die Akkus). Diese Materialien und Seltenen Erden sind knapp, sowohl aufgrund bestehender globaler Lieferkettenprobleme als auch aufgrund fehlender Ressourcen zur Unterstützung einer so bedeutenden Branche wie der globalen Automobilindustrie.

Entscheidend für die Veränderungen bei der Herstellung und den Materialien sind die Autoakkus selbst. Die Batteriezellen tragen mit etwa 30 Prozent der Kosten eines Elektrofahrzeugs bei und weisen eine Komplexität auf, die den meisten Herstellern in Bezug auf Tests, Zellmessungen und andere Faktoren unbekannt ist.

Lithium-Ionen-Akkus haben sich besser entwickelt als von Experten ursprünglich vorhergesagt. Frühe Tests haben viele Hersteller abgeschreckt, weil sie überzeugt waren, dass sich diese Technologie nicht durchsetzen würde. Einige Unternehmen wie Tesla haben sich jedoch einen Vorsprung verschafft und viele müssen nun aufholen.

Umweltschädliche Fahrzeuge von der Straße nehmen

Die verwendeten Akkus von Elektrofahrzeugen müssen nicht nur das Fahrzeug betreiben, sondern dürfen auch die Umwelt nicht belasten. Die Autobatterien müssen nicht nur heute, sondern auch in 30 Jahren noch sicher sein. Das erfordert noch mehr Tests, Messungen, Normung, Daten und Analysen, um diese Technologien zu perfektionieren.

Das Ziel der Hersteller von Elektrofahrzeugen und Akkuzellen sollte nicht nur darin bestehen, umweltschädliche Fahrzeuge von der Straße zu nehmen, sondern auch die Herstellungsprozesse zu verbessern, um ein grünes, nachhaltiges Produkt zu schaffen. Neben der Produktion müssen diese Batterien und andere Autokomponenten hochgradig recycelbare Elemente aufweisen, um eine langfristige Nachhaltigkeit zu gewährleisten.

Den Straßenverkehr neu denken

Elektrofahrzeuge bieten eine enorme Chance, den Verkehr neu zu gestalten und die Auswirkungen der Automobilindustrie auf den Planeten zu verringern. Die Beteiligten müssen weiterhin durchdachte Lösungen finden, um die zahlreichen Probleme zu lösen, die mit der Einführung von Elektrofahrzeugen auf dem Markt verbunden sind.

Die Standardisierung des Energieverbrauchs, die Aktualisierung der Herstellungsverfahren und die Entwicklung von Batterien werden einen großen Beitrag zur Schaffung einer nachhaltigen Industrie leisten. Wir dürfen nicht vergessen, dass die Technologie für Elektrofahrzeuge noch in den Kinderschuhen steckt, insbesondere im Vergleich zu ihren Vorfahren mit Verbrennungsmotor.

Referenzen

[1] „Global electric car sales have continued their strong growth in 2022 after breaking records last year“. Abgerufen am 23. Januar 2023.

[2] „Global EV Outlook 2021: Policies to promote electric vehicle deployment“. Abgerufen am 23. Januar 2023.

[3] „Ford Takes Bold Steps Toward All-Electric Future in Europe“. Abgerufen am 23. Januar 2023.

* Thomas Götzl ist Vice President und General Manager für Automotive & Energy Solutions (AES) der Electronic Industrial Solutions Group bei Keysight sowie Geschäftsführer von Keysight Technologies in Deutschland.Zuletzt war Thomas Götzl AES Business Manager für Energieanwendungen mit Schwerpunkt auf Testlösungen für Smart Grid, Leistungshalbleiter, Batterien und EV/HEV. Seit 2012 hat er Programme für die Automobilindustrie definiert und implementiert. Zudem führte er Prozesse zur strukturellen Zusammenarbeit mit Kunden ein, die neue digitale Technologien definierten und integrierten.

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