Stromer tanken Eneuerbare

Das Ladegerät ist in der Lage, mit einer Nennleistung von 22 kW eine übliche Elektrofahrzeugbatterie innerhalb von 45 Minuten auf 80% zu laden. Die Neuentwicklung erfolgte im Verbundprojekt Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität.

Tankstellen wie man sie bisher kennt, wird es für Elektroautos vermutlich nicht geben. Die Stromer werden zunächst vor allem zu Hause geladen. © Fraunhofer ISE»Nächste Tankstelle 50 Kilometer« - in Deutschland ist fast immer eine Zapfsäule in der Nähe. Mehr als 14 000 Tankstellen versorgen die Autofahrer mit Sprit. Doch wie sieht es beim Umstieg auf Elektroautos aus? Wo können wir dann tanken? Neben neuen Entwicklungen in der Batterie- und der Fahrzeugtechnologie hängt der Erfolg von Elektro- und Plug-in-Hybridfahrzeugen entscheidend davon ab, wie schnell eine leistungsfähige und zuverlässige Lade-Infrastruktur verfügbar ist. Deshalb arbeiten Forscher in der Fraunhofer-Systemforschung Elektromobilität an praxisgerechten Lösungen.
»Wir brauchen - zumindest Deutschland-, besser Europaweit - preiswerte und praktikable Stromtankstellen. Damit das funktioniert, arbeiten wir daran, das komplexe Zusammenspiel zwischen Stromerzeugung, Verbrauch, lokaler Netzkapazität und Nutzer wirtschaftlich und bequem zu gestalten«, erklärt Dr. Günther Ebert das Ziel der Forscher. Er ist Leiter des Bereichs Elektrische Energiesysteme am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg. »Es gilt, die hohen Erwartungen zu erfüllen. Nur komfortable Fahrzeuge und Ladekonzepte werden sich auf dem Markt durchsetzen. Die Autofahrer möchten sich nicht mit komplexen Technologien auseinandersetzen.«

Eines ist aber klar: »Tankstellen, wie man sie heute kennt, wird es für Elektroautos nicht geben«, meint der Experte. Die Gründe: Sogar eine Schnellladung dauert länger als nur ein paar Minuten. Und der Austausch von Batterien an »Ladestellen« scheitert bislang an unterschiedlichen Standards. Fast jeder Autohersteller hat einen eigenen Akku im Einsatz. Fehlende Standards erschweren auch den Aufbau von öffentlichen Ladestationen. Zudem müssen erst noch neue Geschäftsmodelle erarbeitet und
umgesetzt werden, damit man die Investitionen für die Stationen refinanzieren kann. »Das `Tanken` zu Hause lässt sich zunächst am einfachsten und kostengünstigsten umsetzen«, erwartet
der Forscher.

Doch wie kommt der Strom in die Autobatterie? Fraunhofer-Wissenschaftler entwickeln hierfür verschiedene Lösungen. »Mit kleinen und kompakten On-board-Ladegeräten, die in jedes Fahrzeug fest integriert sind, kann man fast überall laden«, sagt Ebert. Also nicht nur zu Hause, sondern auch unterwegs, beim Besuch von Freunden oder tagsüber, wenn das Fahrzeug auf dem Parkplatz des Arbeitgebers steht. Die On-board-Ladegeräte haben eine Leistung von 2 bis 3 kW. Auch das Rückspeisen von Energie in das Stromnetz ist bereits möglich. Diese Netzstützungsfunktion wird jedoch erst in einigen Jahren wirklich interessant, wenn deutlich mehr Elektrofahrzeuge existieren.

Im Parkhaus oder an Elektrotankstellen sind Schnellladegeräte mit Leistungen von 10 kW und mehr gefragt. Fraunhofer-Forscher haben bereits ein solches System entwickelt. »Bei unserem 22 kW-Schnellladegerät haben wir auf höchste Energieeffizienz und äußerste Kompaktheit geachtet«, betont Ebert. »Denn die Einheit soll künftig nicht nur als externe Station genutzt, sondern auch ins Auto integriert werden. Und hier zählen Sicherheit und jedes Gramm Gewicht.« Deshalb setzen die Experten auf ausgeklügelte Sicherheitskonzepte und modernste Transistoren auf Basis von Siliziumkarbid. Diese neuartigen Bauelemente, die erstmals in der Photovoltaik genutzt wurden, haben extrem geringe Schaltverluste. Das Team um Ebert hat hier bereits Wirkungsgrade von mehr als 99 Prozent für die komplette Energieumwandlung erreicht.

Ladestationen können Autos identifizieren

Künftige Ladestationen können weit mehr als Tankstellen. Sie identifizieren Fahrzeuge, bauen die Kommunikation mit dem Fahrzeug auf, rechnen den Energiefluss ab und erkennen, welcher Stromtarif gerade gilt. Dafür integrieren die Ingenieure einen kleinen Computer ins Fahrzeug, der diese Aufgaben steuert. »Wir arbeiten beispielsweise gemeinsam mit Kollegen vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen an dieser Steuereinheit, die sämtliche energierelevanten Lade- und Fahrzeugkomponenten vernetzt«, erläutert Ebert. Dieses intelligente Energiemanagement-System sorgt unter anderem für die optimale Steuerung des Lade- oder Entladevorgangs. »So vermeiden wir eine Überlastung des Stromnetzes, wenn beispielsweise nach Feierabend sehr viele Autofahrer gleichzeitig Strom zapfen«, erläutert Ebert.

22 kW-Schnellladegerät in der Version zum Einbau in Elektro-PKWs. Das Gerät erlaubt sowohl das Laden des Fahrzeugs als auch das Rückspeisen von Energie aus der Batterie ins Stromnetz. Es zeichnet sich durch einen sehr hohen Wirkungsgrad von über 97% und ein sehr geringes spezifisches Bauvolumen von 0,35 l/kW. Zum Einbau in externe Ladesäulen ist auch eine luftgekühlte Variante verfügbar. ©Fraunhofer ISE

Ein wichtiges Ziel ist es, die fossilen Ressourcen zu schonen und den CO2-Ausstoß zu senken. Dies gelingt nur, wenn man den Strom für die Elektroautos aus erneuerbaren Energiequellen erzeugt. »Langfristig streben wir eine möglichst vollständige Versorgung mit regenerativen Energien an«, sagt Ebert. Die Pläne der Forscher gehen sogar noch einen Schritt weiter: Sie wollen die Millionen Autobatterien als dezentraler Energiespeicher nutzen. So ließen sich die Schwankungen bei der Versorgung mit erneuerbaren Energien ausgleichen. »Elektroautos sind eine sehr elegante Möglichkeit, erneuerbare Energien auch für den mobilen Sektor zu nutzen und bei Bedarf wieder ins Netz einzuspeisen«, schwärmt er. Damit das funktioniert, sind intelligente, bidirektionale Ladegeräte erforderlich, um einerseits die Fahrzeugbatterien zu laden, andererseits Energie aus den Batterien bei Bedarf wieder ins Stromnetz zurückzuspeisen.

Das Verbundprojekt Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität wird durch das Bundesforschungsministerium BMBF gefördert, mehr als 30 Fraunhofer-Institute sind darin aktiv.