Ladetechnik

Dass der Typ-2-Stecker nicht viel mehr als ein groß dimensionierter 380V Stecker mit zwei Steuerleitungen ist, finden Sie sehr schnell heraus. Aber was macht die Wallbox eigentlich so teuer. Also habe ich etwas gestöbert und bin auf ein sehr einfaches Protokoll gestoßen, was die Entwickler vor nicht allzu langer Zeit definiert haben. Es bleibt nach meiner Ansicht hinter den Möglichkeiten zurück und steuert im wesentlichen nur die Stromstärken. Alle Dinge um z.B. Abrechnungsinformationen oder eine Identifizierung vorzunehmen, sind nicht enthalten. Es ist natürlich denkbar, auf die Steuerleitungen auch noch Daten zu modulieren. Aber lesen sie selbst.

Laden und Handshake

Für meinen BMW 225xe macht ein 11kW oder 22kW Anschluss gar keinen Sinn, da er ehr nur einphasig mit maximal 16A ( 3,7 kWh) geladen werden kann. Aber es gibt ja auch andere Fahrzeuge und andere Anschlüsse. Daher musste ein Protokoll her, bei dem das Auto meldet, wie viel Strom es gerne hätte und die Ladestation ihrerseits melden kann, wie viel Sie maximal liefern kann. Letztlich bestimmt ja das Auto, wie viel Strom es bezieht und wenn es sich nicht an die Obergrenzen der Wallbox hält, dann fliegt eben die Sicherung raus. Das Auto ist also schon selbst daran interessiert, sich an Regeln zu halten und den Ladepunkt nicht zu überfordern.

Das gilt auch, wenn mehrere Ladepunkte an der gleichen Hauptleitung hängen oder mehrere Autos nacheinander geladen werden sollen. Hier können die Ladepunkte dann auch während der Ladung z.B. ermitteln, wie viel Energie das jeweilige Auto bezieht und es entsprechend drosseln, damit andere Teilnehmer etwas mehr bekommen oder überhaupt auch geladen werden können.

Auf Wikipedia ist gut die Funktion der Ladeeinheit beschrieben. Das Fahrzeug ist maßgeblich für die Ladesteuerung und die Versorgungseinheit muss nur das Auto erkennen und ihm den maximal lieferbaren Strom mitteilen und einzuschalten. Diese Funktion ist auf Wikipedia (https://de.wikipedia.org/wiki/IEC_62196_Typ_2) gut beschrieben. Ich habe es zur Lesbarkeit nur etwas umgebrochen.

  • Zwischen Pilotkontakt CP und dem Schutzleiter PE legt die Ladestation über einen 1-kΩ-Widerstand (R0) eine 1-kHz-Rechteckspannung an (Signalbereich ±12 V ±0,4 V).
  • Auf der Seite des Elektrofahrzeugs wird der Stromkreis zwischen CP und PE durch einen Widerstand (R), der mit einer Diode[5] in Serie geschaltet ist, geschlossen.
  • Die Ladestation meldet an das Fahrzeug mittels Pulsweitenmodulation der Rechteckspannung den maximalen Strom, der von der Ladesäule zur Verfügung gestellt werden kann:
    • Bei 16 % PWM maximal 10 A,
    • bei 25 % PWM maximal 16 A
    • bei 50 % PWM maximal 32 A
    • mit 90 % PWM eine Schnellladung
  • Das Elektrofahrzeug kann seinerseits über die Wahl des Widerstands R – und einer damit verbundenen Änderung des Spannungsabfalls an R0 – mit der Ladestation kommunizieren:
  • Mit R=2700 Ω wird ein Mode-3-kompatibles Fahrzeug gemeldet („vehicle detected“), das noch keine Ladung abfordert.
  • Bei R=880 Ω ist das Fahrzeug bereit für einen Ladestrom („ready“)
  • bei R=240 Ω wird zusätzlich eine Lüftung angefordert („with ventilation“),
    was im Außenbereich keinen Unterschied macht, in Innenräumen aber bei fehlender Belüftung den Ladestrom kappt.

Das Auto nutzt einfach einen Wiederstand um der Wallbox zu sagen, wann sie den Strom einschalten soll und die Wallbox nutzt eine einfache Pulsweitenmodulation zur Übermittlung der maximalen Ladestroms

Das PWM-codierte Rechtecksignal kann schon ein billiger NE555 liefern, der mit einem MAX232 daraus +/-12Volt macht. Dann muss man nur noch den Schleifenstrom messen um bei einem erkannten Fahrzeug die Ladefunktion über einen Schütz durchzuschalten. Er lieber mit Software arbeitet, kann sicherlich einen Arduino oder anderen Prozessor nutzen, um das PWM-Signal zu erzeugen und über einen Spannungsabfall und Analogeingang die Rückantwort des Autos ermitteln. Dann fehlt nur noch das Gehäuse, in dem noch der Schütz, Sicherungen und ein FI unterkommen sollten. Dran angeschlossen wird dann natürlich noch eine Type2-Buchse oder gleich ein flexibles Kabel mit passendem Stecker. Wobei der Stecker je nach Quelle schon 80-140€ kostet, obwohl es nicht viel mehr als ein erweiterter CE32A-Steker ist, den es im Baumarkt für unter 10€ gibt. Für etwaige Fernsteuerungen wäre dann noch WLAN oder Bluetooth denkbar.

Ehe sie nu aber selbst bauen, sollten Sie erst mal schauen, was es schon fertig gibt. Es gibt durchaus interessant Bausätze

Wer immer noch selbst bauen will, kann natürlich hier anfangen

Kabelquerschnitte

Die Ladebox muss natürlich eine Zuleitung haben. Hier zeigt sich bei mir wieder, dass ich mein Haus wenige Jahre zu früh gebaut habe. Natürlich habe ich dem Elektriker gesagt, er möge bitte in die Garage und den Carport eigene Leitungen für eventuelle E-Fahrzeuge legen. Heraus gekommen ist dann 5x2,5qm statt 5x 1,5qm. Da kann man ja eine 32A Kraft-Steckdose anschließen und das wird ja wohl reichen. Ich hatte mich zu dem Zeitpunkt auch noch nicht schlau gemacht und darauf vertraut. Heute bin ich schlauer, denn die Elektrik ist nun mal Physik und Kupferleiter haben einen geringen Wiederstand aber der bei hohen Stromstärken immer mehr Gewicht bekommt.

Elektro-Autos, die schon über den Type 2 Stecker bis zu 22kW beziehen können, sind durchaus eine Belastung für das Stromnetz. Das betrifft sowohl das Neubaugebiet, in dem viele Autos abends dann angeschlossen werden aber auch die Tiefgarage und Parkplätze mit vielen Ladestationen. Um Überlastungen zu verhindern, muss die Ladeleistung begrenzt werden können. Selbst im Eigenheim gibt es da Dinge zu beachten, z.B.

Laut VDE darf der Spannungsabfall innerhalb der Hausinstallation nicht mehr als 3% betragen

Die Verluste sind durchaus nennenswert. auf http://www.egonraich.it/Rechnen/Rechner.aspx habe ich einen Rechner gefunden. Wenn ich 380V mit 32A und 15m Zuleitung ansetze, dann wird ein Querschnitt von "nur" 1mm² pro Leiter angesetzt.

Das ist aber deutlich zu wenig, denn bei den maximal erlaubten 3% "Verlust" fallen 3% von 22KW oder 660W "Verlust" an, den die Leitung als Abwärme ins Erdreich abgibt. Dickere Leitungen sind hier durchaus interessant. 1% Verlust sind immer noch 220W aber erfordern schon 3mm² Querschnitt. Der Unterschied besteht in der Dauerlast. Die meisten 380V-Verbraucher im Heimbereich sind nur kurzzeitig aktiv und nutzen selten die volle Leistung. Beim Elektro-Auto sind das aber aber schon Kosten. Wenn Sie nämlich 220W Verlust auf 15 Meter zulassen, dann sind das 14W pro Meter. Wissen Sie in Zeiten von LED-Leuchten noch, wie warm eine 14Wall Glühbirne geworden ist? Schlimmer ist aber die Kostenrechnung, denn 220W Abwärme kosten natürlich auch Geld.

Mein BMW-Hybrid braucht ca. 16kW/!00km. Nehmen wir mal an, dass ihr E-Auto 20 kWh/100km braucht und 100km pro Tag fährt. Dann wird er in ca. 1h mit 22kW laden. Mit einer 3mm²-Leitung gehen 220Wh pro Tag verloren, was sich bei 25ct/kWh auf 4ct/Tag oder 14€/Jahr addiert. Mit einer 1mm² Leitung wären es schon 42€/Jahr für "Kabelabwärme". Da kann man schon mal ein etwas dickeres Kabel legen.

Zu geringe Querschnitte kosten aber nicht nur Geld, sondern sorgen auch für "warme Kabel". Ein Kabelbrand wollen Sie sicher nicht riskieren. Wenn sie dann noch dran denken, dass ein um die Ecke verlegtes Kabel gedehnt und damit der Querschnitt reduziert wurde und die Klemmstellen natürlich auch einen Übergangswiderstand haben, dann gibt es hier schon jede Menge Fallstricke, die nach dem Elektriker mit Abschluss rufen.

Anders sieht die Rechnung bei einem kleinen Hybrid-Fahrzeug aus, welches einphasig mit 2kW 2-3h geladen wird.

Die notwendige Ladeleistung ist natürlich immer abhängig von der Batteriegröße und der verfügbaren Zeit. Ein E-Auto, welches 15-25kWh/100km braucht, kann mit einem 22kW Anschluss auch in 2h schon wieder 200km nachladen. Das reicht natürlich nicht für den schnellen Tankstopp an der Autobahnraststätte. Wenn Sie da 500km Stecker erreichen will, und 15Min für einen Kaffee und etwas Bewegung akzeptieren, dann sind das selbst bei sparsamen 20kWh/100km immer noch 100kW, die in 15Min reinlaufen müssen. Da sieht man aber auch die Grenzen des E-Autos und der Akkus. Hier würden dann Wechselakkus oder alternative Antriebe sinnvoller sein. Oder das ist die Zeit für kombinierte Mobilitätslösungen, d.h. Flugzeug und Bahn fahren und vor Ort Taxi oder Mietwagen. Da reichen dann auch wieder E-Autos

Diese grundlegenden Themen gelten natürlich für jede Art von Energieübertragung auf Leitungen, die nicht nur kurzfristig anstehen. Je mehr und länger Energie bertragen werden soll, desto genauer ist der Leitungsverlust in die Berechnung mit aufzunehmen.

Ladesteuerung und Energiemanagement

Die Leitungsverluste gelten aber nicht nur in den eigenen vier Wänden. Auch die Energieversorger müssen diesbezüglich mithalten und ihre Querschnitte müssen die zunehmende Zahl der E-Autos unterstützen. Die meisten Eigenheime haben meist 63A Hauptsicherungen, so ein 22kW-Lader mit 3x32A schon 50% auslastet. Kein Energieversorger wird in der Vergangenheit ein Baugebiet auf 50% Dauerlast pro Haus ausgelegt habe, wenn abends alle Autos geladen werden wollen.

Bei Wärmepumpen fördern Energieversorger den Einbau von Zweitarif-Zählern. Ich hätte kein Problem damit, mein Auto über "Nachtstrom" günstiger zu laden. Auf der anderen Seite gibt es viele Solarzellen und Windräder, die tagsüber viel Energie einspeisen können. Gerade im Eigenheit könnte es interessat sein, den selbst produzierten Solarstrom ins Auto zu schicken, Zumindest wenn das Auto Tagsüber auch da ist.

Aber auch hier frage ich mich, ob die Politik das nicht verstehen will oder kann. Das Stromnetz ist eine riesige Cloud in der permanent Energie durch Kraftwerke aber auch Windrädern und Solaranlagen eingespeist wird und Abnehmer für die die Energie bezahlen. Natürlich gibt es ein Ungleichgewicht, dass Windparks an der Nordsee mehr Strom liefern als vor Ort gebraucht wird und daher eine Umverteilung nach Süden erfolgen muss. Vielleicht brauchen wir zukünftig noch eine Umverteilung aus den sonnenreichen Ländern nach Norden. Aber die meiste Energie wird doch noch vor Ort verbraucht. Ich kann mir nicht vorstellen, dass die eingespeiste Energie der Solaranlage über den Baugebietstransformator hinaus kommt.

Dennoch gibt es immer mehr Angebote für ein "internes Energiemanagement". Es ist ein hohe Ziel diesen Lokalverbrauch zu fördern. Aber muss jedes Eigenheim mit einem komplexen System aus vier Komponenten aufgebaut werden?

  • Solarzellen zur eigenen Stromerzeugung
    Die erzeugen leider nur tagsüber Energie und dann auch nur bedingt vorhersehbar. Aber sie ist gut abzuregeln, wenn es keinen Verbraucher gäbe. Was dann aber eine Verschwendung von "Eh da" Energie wäre.
  • Auto als steuerbarer Energieabnehmer
    Könnte tagsüber überschüssige Energie aufnehmen, bis der Akku voll ist. Hilft aber nichts, wenn Nachts die Solarzelle keine Energie liefert
  • Wärmepumpe/Heizung
    Dieses System kann ebenfalls überflüssige Energiemengen z.B. dazu nutzen, Warmwasser aufzuheizen.
  • Batteriespeicher
    Versprochen wird, dass durch die Speicherung von übermengen am Tag der Eigenverbrauch durch die Abgabe in der Nacht erhöht wird. Ich bin aber skeptisch, ob sich das wirklich rechnet.

Das System funktioniert aber nur so gut, wie die Komponenten miteinander sprechen. Die Solaranlage darf nur liefern, wenn es auch einen Abnehmer gibt und die Abnehmer dürfen nicht mehr "saugen", als die Erzeugung hergibt. Die Pufferung in Akkus ist neben den Anschaffungskosten und dem Ressourcenverbrauch auch immer mit einem Verlust behaftet. Der Ansatz ist lobenswert aber noch lange nicht ausgereift.

Für den Anfang würde es ja schon mal reichen, wenn das Auto tagsüber nicht mehr Strom zum Laden bezieht, als durch die Einspeisung des Wechselrichters übrig bleibt. Dazu braucht es aber eine Wallbox, die den Ladestrom vorgeben kann.

Strom Speichern oder Strom-Cloud

Es gibt aber schon Angebote von Firmen, die eine "Energie-Cloud" versprechen, in die ich meinen nicht selbst verbrauchten Strom "speichern" könnte um ihn später wieder zurückzuladen. Quasi ein "Hosted Speicher". Wir wissen natürlich alle, dass da kein Speicher in der Cloud dahinter steht, sondern meine eingespeiste Energiemenge direkt verbraucht wird und der später wieder entnommene Strom von anderen Quellen stammt. Heute speise ich für 12ct ein und kaufe für 25ct zurück Mit so eine Cloud soll ich pro Monat 30-40€ "Grundgebühr" bezahlen, damit ich meinen Strom neutral einspeise und beziehe. Rechnen wir mal nach:

Ich speise pro Jahr ca. 3MWh für 12ct ein, was mit ca. 360€ einbringt. Bekomme ich die 3MWh nun für 12Ct statt 25ct auch wieder zurück, dann spare ich 13ct oder 390€ ein. "Leider" kostet die Grundgebühr auch wieder genau diesen Betrag pro Jahr kann. Natürlich erwartet der "Cloud Speicher Anbieter", dass ich meine drüber hinaus bezogene Energie auch bei ihm einkaufe. Die Preise sind oft höher.

Inwieweit das Finanzamt hier noch mitspielt, kann ich nicht sagen. Schließlich muss ich die 12ct Einspeisevergütung mit Mehrwertsteuer versehen und abführen, während ich beim Zurückholen sicher keine Vorsteuer abziehen darf. Vielleiht wird der Strom aus steuerlicher Sicht auch gar nicht verkauft.

Lokale Batterien können also dabei helfen, den Eigenverbrauch zu erhöhen aber ein E-Auto als "Grid-Speicher" sehe ich noch in weiter Zukunft. Dazu müsste das Auto ja über die Ladebuchse auch Energie abgeben können und die Wallbox das erlauben. Wenn ich sehen was bei Typ-2 als "Signalprotokoll definiert wurde, wird das so schnell auch nichts mehr werden."

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