Bidirektionales Laden von Elektroautos

Bidirektionales Laden ermöglicht einem Elektroauto, elektrische Energie sowohl abzugeben als auch aufzunehmen. Die nutzbare Funktion hängt davon ab, wohin diese Energie fließt: zu einem mobilen Verbraucher, einem anderen Fahrzeug, einem vom Netz getrennten Gebäude oder in das öffentliche Stromnetz.

Die Bezeichnungen stehen für unterschiedliche Systeme

„V2X“ ist ein Oberbegriff. Die gängigen Anwendungsfälle sind nicht austauschbar:

V2L — Vehicle to Load: Das Fahrzeug versorgt Geräte oder Werkzeuge über eine eingebaute Steckdose oder einen Adapter.
V2V — Vehicle to Vehicle: Ein Fahrzeug liefert Energie an ein anderes, in der Regel mit begrenzter Leistung.
V2H — Vehicle to Home: Das Fahrzeug versorgt ein Haus, normalerweise über Umschalt- und Trenneinrichtungen.
V2B — Vehicle to Building: Das Fahrzeug unterstützt einen größeren Standort oder ausgewählte Gebäudestromkreise.
V2G — Vehicle to Grid: Das Fahrzeug speist synchron zum öffentlichen Netz unter Kontrolle von Netzbetreiber und Markt ein.
V1G oder gesteuertes Laden: Die Leistung fließt weiterhin nur in das Fahrzeug, aber Zeitpunkt oder Rate werden zur Unterstützung des Standorts oder Netzes gesteuert.

V2L benötigt möglicherweise keine feste Installation über die zugelassene Steckdose des Fahrzeugs hinaus. V2H und V2B erfordern eine sichere Gebäudeintegration. Bei V2G kommen Netzanschluss, Genehmigung, Telemetrie und ein tragfähiger Dienst oder Tarif hinzu.

Zwei wesentliche Umwandlungsarchitekturen

Die Traktionsbatterie speichert DC-Energie. Die abgegebene Leistung kann im Fahrzeug oder außerhalb davon umgewandelt werden.

AC-Abgabe im Fahrzeug

Ein bidirektionaler Onboard-Wechselrichter erzeugt AC im Fahrzeug. Dieser Wechselstrom kann Folgendes versorgen:

Eine werkseitige Steckdose
Einen Steckverbinderadapter mit einer oder mehreren Steckdosen
Einen kompatiblen AC-Ladeanschluss
Ein fest installiertes System zur Hausintegration

So kann weniger Leistungselektronik in der externen Ausrüstung nötig sein. Das Fahrzeug muss jedoch Spannung und Frequenz in Netzqualität, Schutzfunktionen, Strombegrenzung und die vorgesehene Betriebsart bereitstellen.

Externe DC-Umwandlung

Ein bidirektionales DC-Ladegerät wird über die DC-Schnittstelle des Fahrzeugs mit der Traktionsbatterie verbunden und enthält den Wechselrichter zur Erzeugung von AC. Damit lassen sich Haus, Gebäude oder Netz versorgen, während mehr Umwandlungshardware stationär bleibt.

Fahrzeug, Ladegerät, Kommunikationsprotokoll und Installation müssen dieselbe Umsetzung der Energieabgabe unterstützen. Ein mit V2L beworbenes Fahrzeug ist nicht automatisch mit einer bidirektionalen DC-Wallbox kompatibel, und eine normfähige Buchse beweist nicht, dass die Fahrzeugsoftware V2G freischaltet.

V2L: mobile Stromversorgung

V2L ist der am wenigsten komplexe Anwendungsfall der Energieabgabe, weil lokale Verbraucher versorgt werden, statt parallel mit dem Netz zu arbeiten. Übliche Umsetzungen bieten eine haushaltsübliche Steckdose im Innenraum, in einem Laderaum oder über einen Adapter am Ladeanschluss.

Die V2L-Leistung wird durch Wechselrichter, Ausgangsspannung und Strom des Fahrzeugs begrenzt. Anlaufstrom von Motoren, Kompressoren, Pumpen, Heizgeräten und Elektrowerkzeugen kann ihre Betriebsleistung übersteigen. Sowohl die angegebenen Dauer- als auch Kurzzeitgrenzen sind wichtig.

Speisen Sie ein Haus nicht über eine gewöhnliche Wandsteckdose rückwärts ein. Ein zugelassenes V2H-System muss verhindern, dass das Fahrzeug bei einem Stromausfall die Versorgungsleitungen unter Spannung setzt. Außerdem muss es Neutralleiter, Erdung, Fehlerschutz und den Übergang zwischen netzgekoppeltem Betrieb und Inselbetrieb beherrschen.

V2H und V2B: eine mobile Notstrombatterie

Ein Gebäudesystem umfasst normalerweise:

Ein kompatibles bidirektionales Fahrzeug
Eine kompatible EVSE oder Leistungsumwandlungseinheit
Einen Umschalter oder ein Gateway zur Netztrennung
Geschützte Stromkreise für kritische Lasten oder einen Anschluss des gesamten Gebäudes
Messung und Energiesteuerung
Eine Einstellung für die Ladezustandsreserve
Inbetriebnahme nach den örtlichen Elektro- und Anschlussregeln

Bei einem Netzausfall muss das System das Gebäude vom Versorger trennen, bevor es ein lokales elektrisches Inselnetz bildet. Diese Anti-Islanding-Grenze schützt Leitungsarbeiter und verhindert eine unkontrollierte Wiederverbindung. Kehrt die Netzspannung zurück, müssen Spannung, Frequenz und Umschaltung geregelt werden, bevor der Normalbetrieb wieder aufgenommen wird.

Notstrom-leistung und Notstrom-energie beantworten unterschiedliche Fragen. Die Leistung bestimmt, welche Verbraucher gleichzeitig laufen können; die Energie bestimmt, wie lange sie laufen können.

Betrachten wir beispielhaft eine Batterie mit 75 kWh, wobei der Fahrer 30% für Mobilität reserviert und weitere 10% für Umwandlungsverluste und Betriebsreserve vorsieht. Etwa 45 kWh bleiben für Verbraucher. Bei durchschnittlich 1 kW reicht das für rund 45 Stunden, bei 5 kW für rund 9 Stunden. Die tatsächlichen Ergebnisse variieren mit Wechselrichterwirkungsgrad, Standby-Leistung, Temperatur, Fahrzeuggrenzen und wechselndem Haushaltsbedarf.

Große Verbraucher können die Abgabeleistung überschreiten, auch wenn noch reichlich Energie vorhanden ist. Ein Haus kann Lastabwurf für Widerstandsheizung, elektrische Warmwasserbereitung, Kochen, Klimaanlage oder mehrere Motoren benötigen.

V2G: Einspeisung bei bestehender Netzverbindung

V2G ist nicht einfach V2H mit geschlossenem Umschalter. Eine netzparallele Einspeisung muss sich mit dem Stromsystem synchronisieren und örtliche Anforderungen an Spannung, Frequenz, Leistungsfaktor, Anti-Islanding, Fehlerreaktion und Fernsteuerung erfüllen.

Der vollständige Aufbau kann Folgendes umfassen:

Zertifizierung von Fahrzeug und bidirektionalem Ladegerät
Prüfung des Netzanschlusses durch den Versorger und Betriebserlaubnis
Einen Tarif oder ein Marktprogramm, das Einspeisung zulässt
Einen Aggregator, der viele Fahrzeuge koordiniert
Zeitpläne des Fahrers, Mindestreserve und Abfahrtsbedarf
Sichere Kommunikation und Messung
Vergütung für Energie, Kapazität, Laststeuerung oder Netzdienstleistungen

Die Geräteliste der California Energy Commission verdeutlicht den Unterschied zwischen technischer Fähigkeit und Genehmigung: Gelistete Geräte können bidirektionalen Betrieb unterstützen, doch der Kunde benötigt vor der Einspeisung weiterhin das Anschlussverfahren und die Erlaubnis des Versorgers.

V2G kann schneller reagieren als ein menschlicher Fahrer und viele geparkte Fahrzeuge bündeln. Die Verfügbarkeit bleibt jedoch unsicher, weil Fahrzeuge bewegt werden. Eine Netzdienstleistung muss die primäre Transportaufgabe respektieren und darf nicht annehmen, dass jede angemeldete Batterie angeschlossen ist.

Das Zusammenspiel der Standards

Kein einzelner Standard ergibt ein vollständiges bidirektionales System.

ISO 15118-20 definiert Kommunikationsnachrichten und Abläufe zwischen Fahrzeug und EVSE für die bidirektionale Leistungsübertragung.
OCPP 2.1 ergänzt Funktionen zwischen Ladegerät und Managementsystem für bidirektionales Laden und die Steuerung dezentraler Energieressourcen.
UL 9741/CSA 348 behandelt in Nordamerika bidirektionale Leistungsabgabegeräte für Elektroautos.
UL 1741 und örtliche Netzregeln behandeln das Verhalten von Wechselrichter und Netzanschluss in den betreffenden nordamerikanischen Anwendungen.
Nationale Installationsregeln, Verfahren der Versorger, Tarife, Cybersicherheitsanforderungen und Produktzulassungen vervollständigen die Systemgrenze der Installation.

Normenkompatibilität verringert das Integrationsrisiko, belegt jedoch keine durchgängige Interoperabilität. Fahrzeugsoftware, Firmware des Ladegeräts, Zertifikatsökosysteme, Backend-Implementierung und Regeln des Versorgers müssen ebenfalls zusammenpassen.

Wirkungsgrad, Kosten und Batterienutzung

Jeder Hin- und Rückweg verliert Energie. Netz-AC kann beim Laden in Batterie-DC und bei der Abgabe wieder in AC umgewandelt werden; hinzu kommen Verbraucher im Fahrzeug, Kabel, Thermosystem und Standby-Betrieb. Eine Berechnung zur Preisarbitrage muss Folgendes berücksichtigen:

Bezugspreis und Vergütung für Einspeisung
Wirkungsgrad des vollständigen Zyklus
Netz- und Leistungsentgelte
Erforderliche Hardware und Installation
Zahlungen für die Verfügbarkeit im Programm
Den Wert der Notstromversorgung
Energieumsatz der Batterie

Batteriedegradation lässt sich weder auf „V2G ist schädlich“ noch auf „V2G ist kostenlos“ reduzieren. Zusätzlicher Energieumsatz verbraucht einen Teil der Zyklenlebensdauer einer Batterie, während Temperatur, Ladezustandsfenster, Strom, Zeit bei hohem Ladezustand und Zellchemie das Ergebnis beeinflussen. Gesteuerte Einspeisung kann mitunter eine lange Lagerung bei hohem SOC vermeiden, doch das Ergebnis hängt von der Regelstrategie ab.

Fahrer sollten eine Mobilitätsreserve festlegen und Fahrzeuggarantie sowie V2X-Bedingungen prüfen. Alterung, Reparatur, zweites Leben und Recycling der Batterie werden unter EV Battery Lifecycle behandelt; Garantiegrenzen unter EV Battery Warranty.

Was Käufer prüfen sollten

„Für bidirektionales Laden vorbereitet“ reicht nicht aus. Fragen Sie nach dem genau unterstützten Anwendungsfall und Markt:

V2L, V2H, V2B, V2G oder nur gesteuertes unidirektionales Laden?
AC-Abgabe oder DC-Abgabe?
Dauer- und Spitzenleistung bei der örtlichen Spannung?
Zugelassene Kombination aus Fahrzeug, EVSE, Gateway und Software?
Betrieb des gesamten Hauses oder ausgewählter kritischer Verbraucher?
Manuelle Notstromversorgung, automatische Umschaltung oder netzparalleler Dienst?
Steuerung von Mindestreserve und Abfahrtszeit?
Schwarzstartfähigkeit nach einem Netzausfall?
Betrieb bei Ausfall von Internet oder Hersteller-Cloud?
Örtlicher Installateur, Produktzertifizierung, Genehmigung des Versorgers und Tarif?
Behandlung der abgegebenen Energie in der Garantie?

Der Steckverbinder ist nur ein Teil der Antwort; siehe EV Charging Connectors and Inlets. Die vollständige Systemgrenze des Ladens wird unter EV Charging: The Complete System behandelt.