Ladeinfrastruktur Elektrofahrzeuge sind auf smarte Energiesysteme angewiesen

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Damit die Transformation im Automobilbau hin zum elektrischen Antrieb gelingen kann, müssen die Stromnetze mithalten. Für eine flächendeckende Versorgung mit Ladepunkten sind intelligente Energiesysteme notwendig. Doch das ist nicht alles.

Für die Automobilindustrie tickt die Uhr, um die bevorstehenden Fristen für umweltfreundlichere Energiequellen einzuhalten, die Ende des Jahrzehnts in Kraft treten werden. Um eine breite Einführung von Elektrofahrzeugen (EVs) zu erreichen und die Vorgaben zu erfüllen, sind erhebliche Veränderungen erforderlich. Ein Bereich, dem mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden muss, ist die Frage, wie der Übergang in eine elektrische Zukunft gestaltet werden kann.

Angesichts des erwarteten Anstiegs der Nachfrage nach elektrischer Energie um fast 20 Prozent bis 2050 [1] aufgrund von Elektrofahrzeugen und anderen umweltfreundlichen Antriebstechniken steht das Stromnetz unter enormem Druck. Die veraltete Infrastruktur knarrt bereits und die Erwartung, dieses Wachstum mit der etablierten Stromwertschöpfungskette – Erzeugung, Übertragung, Verteilung und Verbrauch – zu bewältigen, ist nicht realistisch. Um die Energiewende erfolgreich zu gestalten, müssen Versorgungsunternehmen und das gesamte Ökosystem zusammenarbeiten und die Energieversorgung auf neue Weise betrachten.

Gleichgewicht zwischen Nachfrage und Erzeugung

Da immer mehr Elektrofahrzeuge auf den Straßen unterwegs sind, könnte die steigende Netzbelastung in Verbindung mit Schnellladestationen zu einem Ungleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage führen, was die Wahrscheinlichkeit systemweiter Ausfälle erhöht. Für die Zukunft sind Interoperabilität und intelligentes Energiemanagement von entscheidender Bedeutung. Alle Beteiligten, einschließlich der Regierung, müssen einen Fahrplan entwickeln, um die erforderlichen Kapazitäten sicherzustellen.

Erneuerbare Energien, einschließlich Wind und Sonne, werden helfen. Ihre inhärente Volatilität kann jedoch das Problem der Diskrepanz zwischen Angebot und Nachfrage verschärfen. Aus diesem Grund kommt der Energiespeicherung große Bedeutung zu. Sorgfältige Koordination und intelligente Nutzung sind entscheidend, um ein Gleichgewicht zwischen Nachfrage und Erzeugung zu gewährleisten. Gehen wir der Frage auf den Grund, was smarte Energiesysteme umfassen müssen, um die EV-Zukunft zu unterstützen.

Energie erzeugen und verteilen

Zentrale Erzeugung und einseitiger Stromfluss sind keine Lösung für dieses Problem. Stattdessen sind Entwicklungen wie der bidirektionale Stromfluss entscheidend. Dabei wird bei niedriger Nachfrage Energie aus dem Netz entnommen und damit das Auto aufzuladen. Der überschüssige Strom wird wieder an das Netz verkauft wird. Das Opt-in-Programm von Tesla [2] speist Strom aus seinen Batterien zurück ins Netz, wenn Nachfragespitzen auftreten.

Der Übergang zu Vehicle-to-Grid (V2G) verwandelt Elektrofahrzeuge in Energiespeicher, die das Stromnetz entlasten können. V2G wird durch neue, intelligente Energieumwandlungstechnologien und Kommunikationsmöglichkeiten mit dem Stromversorger ermöglicht, die in EVs und Ladestationen eingebaut sind. Darüber hinaus können die Fahrzeuge mit dem Netz kommunizieren und es stabilisieren, indem sie die Bordbatterie als netzgebundenen Energiespeicher nutzen.

Bidirektionale Ladestationen werden nach und nach verfügbar, die erste Version wurde von Nissan vorgestellt [3]. Sie sind jedoch teuer und erfordern oft zusätzliche spezielle Hardware. Um Privatpersonen zur Nutzung von V2G zu ermutigen, müssen die Energieversorgungsunternehmen ein Anreizprogramm einführen, um die Akzeptanz zu beschleunigen.

Das aktuelle Energienetz ist zu fragmentiert

Energieversorger, Automobilhersteller und Ladeinfrastrukturbetreiber müssen zusammenarbeiten, um Elektrofahrzeuge als verteilte Energieressourcen (Distributed Energy Resources, DER) zu nutzen und damit das Stromnetz zu unterstützen und die Ausfallsicherheit zu verbessern. Der Einsatz von Energiespeichern ist von entscheidender Bedeutung, da die Kapazität des bestehenden Netzes nicht erhöht werden kann. Bei einem höheren Anteil an erneuerbaren Energien trägt das Projekt zur Nachhaltigkeit bei und unterstützt die Net-Zero-Initiativen.

Eine weitere Komponente des intelligenten Energiemanagements ist die Forderung nach Interoperabilität. Das bestehende Netz ist fragmentiert, und eine Regulierung ist unerlässlich, damit das Ökosystem der Branche einheitlich funktionieren kann. Beispielsweise müssen Elektroautos und Ladestationen neue und sich entwickelnde Standards für die Zusammenschaltung und Interoperabilität mit dem Stromnetz erfüllen. Regulatorische Hürden müssen überwunden werden, um V2G zu unterstützen, damit Fahrzeuge aktiv zur Gesundheit des Netzes beitragen können und nicht nur eine Belastung darstellen. Sobald dies der Fall ist, werden Versorgungsunternehmen in der Lage sein, verteilte Energieressourcen zu verwalten, um den vielfältigen Energiemix und die sich ändernde Nachfrage zu berücksichtigen.

KI-Algorithmen und maschinelles Lernen unterstützen das Laden

Die Federal Energy Regulatory Commission (FERC) [4] und North American Electric Reliability Corporation (NERC) [5] wollen den Weg dafür zu ebnen, dass verteilte Energieressourcen eine wichtigere Rolle im Energie-Ökosystem spielen können. FERC 2222 [6] ermöglicht es beispielsweise, dass verteilte Energieressourcen Teil der von regionalen Netzbetreibern betriebenen Energiegroßhandelsmärkte werden können. Das soll Anreize für die Einführung von verteilten Energieressourcen schaffen, die Kosten senken und die Flexibilität und Belastbarkeit erhöhen, um mehr Innovationen zu fördern.

Energieversorger müssen ihre Infrastruktur digitalisieren, um die notwendige Transparenz für den dynamischen Einsatz von Energieressourcen zu erhalten. Mit verteilten Energieressourcen wird das Management des Verteilnetzes wesentlich komplexer. Darüber hinaus werden Schnellladenetze zu unvorhersehbaren Lastspitzen führen, die eine höhere Granularität erfordern.

Im Laufe der Zeit werden künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen integriert werden, um die Intelligenz für die Vorhersage, Planung und Verwaltung des Ladens von Elektrofahrzeugen bereitzustellen, um die erforderliche Ausfallsicherheit zu gewährleisten und das dynamische Lastmanagement zu unterstützen. Versorgungsunternehmen benötigen detaillierte Einblicke, um die Stromerzeugung und -verteilung zu steuern.

Tests von hoher Leistung am Netzrand

Moderne Stromnetze werden zunehmend digitalisiert, um die Energieverteilung zu steuern und zu optimieren. Verteilte Energieressourcen werden integriert, unterstützt durch verbesserte Stromwandler und Wechselrichter, um den Stromfluss in beide Richtungen zu ermöglichen. Batteriespeichersysteme (Battery Energy Storage Systems, BESS) sollen überschüssige Energie speichern, die bei Nachfragespitzen in das Netz zurückgespeist werden kann.

Die Prüfung der Umrichter und Wechselrichter im Stromnetz, ihrer Interoperabilität untereinander und mit den Versorgungs- und Energiemanagementsystemen ist von entscheidender Bedeutung, um die Sicherheit und Leistung komplexer DER-Netze sicherzustellen.

Die Energieversorgungsunternehmen beginnen, flexible Tarifstrukturen einzuführen, um die Nachfrage besser auszugleichen und den Druck auf das Netz zu verringern. Tageszeitabhängige Stromtarife bieten niedrigere Preise in Zeiten geringer Nachfrage. Diese und andere Programme, wie Steuervergünstigungen für Elektrofahrzeuge und Solaranlagen, sind wichtige Instrumente für die Versorger, um die Teilnahme zu fördern und die gesellschaftliche Akzeptanz zu erhöhen.

Die breite Einführung von Elektroautos ist ein komplexes Unterfangen und ein intelligentes Energiemanagement ist eine wichtige Voraussetzung, um dieses Ziel zu erreichen. Angesichts des steigenden Strombedarfs müssen Energie- und Automobilsektor zusammenarbeiten und an einem Strang ziehen, wenn die elektrische Transformation Realität werden soll. (heh)

Referenzen

[1] EIA projects less than a quarter of the world’s electricity generated from coal by 2050. Abgerufen am 10. Mai 2024.

[2] Tesla Virtual Power Plant With PG&E. Abgerufen am 10. Mai 2024.

[3] Nissan approves first US bidirectional charger for Leaf, use won't affect warranty. Abgerufen am 10. Mai 2024.

[4] Federal Energy Regulatory Commission: Shaping the Grid of the Future. Abgerufen am 10. Mai 2024.

[5] North American Electric Reliability Corporation. Abgerufen am 10. Mai 2024.

[6] FERC Order No. 2222: A New Day for Distributed Energy Resources. Abgerufen am 10. Mai 2024.

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