Leistungsbegrenzungen beim HPC-Lader

Meistens liegt es am Fahrzeug, ausser…

Beim Schnellladen eines Elektroautos kann es immer wieder mal für Verwirrung kommen, wenn die Ladeperformance nicht den Erwartungen entspricht. Gerade die Maximalleistung aber auch die durchschnittliche Ladeleistung variiert manchmal aus erklärlichen und manchmal auch unerklärlichen Gründen je nach Ladevorgang stark. In vielen Fällen hat das etwas mit dem Fahrzeug zu tun, aber nicht immer. Bei hoher Auslastung des Ladestandorts kann es nämlich sein, dass der Standort an seine Leistungsgrenzen kommt und das seitens Ladepunktbetreiber installierte Lastmanagement eingreift. Dafür sind in der Regel zwei Faktoren ausschlaggebend: Zum einen die verfügbare oder freigegebene Netzanschlussleistung am Standort und zum anderen Rentabilitätsüberlegungen auf Seiten des Ladenetzbetreibers.

Jeder Standort hat seine Grenzen

Betrachten wir zunächst das Thema der Netzanschlussleistung. Für den Betrieb von HPC-Ladestationen werden hohe Netzanschlussleistungen benötigt. Im Vergleich zu einem typischen Einfamilienhaus wird an einem Schnellladestandort gut und gerne die 50-fache Leistung benötigt. Wo immer möglich, versuchen wir deshalb, diese Leistung mit der Installation eines Trafos mit Mittelspannungsanschluss zu erreichen. 

Allerdings ist der Anschluss ans Mittelspannungsnetz nicht an jedem Standort möglich; sei es aus Platzgründen, sei es aufgrund der Gegebenheiten der Strominfrastruktur oder, weil mit dem lokalen Elektrizitätsdienstleister keine praktikable Lösung gefunden werden kann. Wenn an einem solchen Standort viele Fahrzeuge gleichzeitig hohe Leistungen abfragen, kann es deshalb zu Leistungseinschränkungen kommen.
Und auch dort, wo mit der Strominfrastruktur eine sehr hohe Netzanschlussleistung zur Verfügung steht, ist diese kaum je auf den theoretischen Fall ausgelegt, in dem an jedem Ladepunkt zeitgleich die maximale Leistung bezogen werden sollte. Bei beispielsweise acht 300 kW-Ladesäulen müssten bei gleichzeitiger Maximalbelastung nämlich bis zu 2,4 Megawatt Leistung bereitgestellt werden, was zu beträchtlichen Herausforderungen an das Stromnetz führen würde und ausserdem auch weit weg von der beobachteten Realität liegt. Aus diesen Gründen entspricht es der Realität, dass die zur Verfügung stehende Stromleistung an praktisch jedem Schnellladestandort begrenzt ist.

Herausforderung Leistungspreis

Der zweite Grund liegt in einer eher unbekannten Komponente des Strompreises, dem sogenannten Leistungspreis. Neben den Netznutzungskosten, den staatlichen Abgaben und den Kosten für die bezogene Energie, verrechnen Energieversorger nämlich auch einen Preis für die höchste bezogene Leistung im Abrechnungszeitraum. Mit diesem Leistungspreis werden Energieversorger dafür entschädigt, dass sie jederzeit auch den Bezug von sehr hohen Leistungen ermöglichen. Der Leistungspreis variiert dabei je nach Anbieter und kann bis zu 15 Franken pro Kilowatt betragen (mehr dazu in diesem Blogbeitrag). Aufgrund dieser Kostenstruktur ist es möglich, dass der von GOFAST eingekaufte Strom teurer ist als der Preis, den wir unseren Kundinnen pro Kilowattstunde verrechnen. Das untenstehende Rechenbeispiel zeigt den Effekt des Leistungspreises auf die Stromkosten für zwei verschiedene Standortgrössen. 

Aus dem Beispiel wird klar, dass je nach Energieabsatz die Leistungskomponente des Strompreises überproportional gross werden und zu unattraktiven Strompreisen für die Endkundinnen führen kann. Aus diesem Grund sind Ladenetzbetreiber bestrebt, mit einer Steuerung der Leistungsgrenze für bezahlbare Ladepreise zu sorgen. 

Lastmanagement verhindert Leistungseinbussen

Aufgrund der vorhandenen Strominfrastruktur oder aufgrund wirtschaftlicher Überlegungen gibt es an Schnellladehubs also Leistungsbegrenzungen. Damit die vorhandene Leistung trotzdem optimal mit wenig Auswirkung auf die Ladevorgänge verteilt werden kann, setzen Ladenetzbetreiber wie GOFAST ein intelligentes Lastmanagement ein. Dabei wird die Leistungsbegrenzung in der Regel so eingestellt, dass ladende Kundinnen und Kunden kaum Einschränkungen bemerken. Möglich ist dies aufgrund der zeitlichen Versetzung der Ladevorgänge und der Natur der Ladekurven der E-Autos (mehr dazu in diesem Blogbeitrag). Jeder Ladevorgang beschreibt eine Kurve, die zunächst steil ansteigt, dann eine Zeit lang auf hohem Niveau nur leicht abnimmt und schliesslich im letzten Drittel kontinuierlich sinkt. Weil nun die Ladevorgänge in der Regel zeitlich versetzt gestartet werden, erfolgen auch die oft nur wenige Minuten dauernden Leistungspeaks zeitlich versetzt. In der Praxis kommt es also kaum vor, dass mehrere Fahrzeuge gleichzeitig die maximale Leistung abfragen. Die untenstehende Grafik zeigt beispielhaft, wie sich die zeitliche Versetzung von Ladevorgängen auf die total abgefragte Leistung auswirkt.

Diese idealtypische Darstellung macht deutlich, dass sich die Spitzen wegen der abfallenden Ladekurven und der zeitlichen Versetzung nur über wenige Minuten erstrecken und eine theoretische Maximalbelastung gar nie abgefragt wird. Zudem zeigt sich, dass hier zum Beispiel eine Leistungsbegrenzung von 500 kW gesetzt werden könnte, ohne dass bei der Ladedauer wesentliche Einbussen entstehen. Unter sonst gleichen Bedingungen würde sich in diesem Beispiel die Ladedauer um lediglich drei bis vier Minuten verlängern, während sowohl bei der Netzbelastung als auch bei den Stromkosten deutliche Einsparungen möglich wären.

Dynamische Leistungsverteilung über alle Ladesäulen

Das Lastmanagement funktioniert technisch so, dass für jeden Standort ein digitales Smart-Charging-Profil erstellt wird. In diesem Profil wird festgelegt, wie viel elektrische Leistung dort maximal zur Verfügung steht. Dieser Wert wird regelmässig evaluiert und an die jeweilige Nachfrage am Standort angepasst. Sobald die festgelegte Leistungsgrenze erreicht ist, wird die verfügbare Energie gleichmäßig auf alle aktiven Ladesäulen verteilt. Fordert eine Ladesäule weniger Leistung an, als ihr zugewiesen wurde, wird die überschüssige Energie zu gleichen Teilen auf die übrigen Ladevorgänge umverteilt.
Neben dieser standortweiten, intelligenten Leistungssteuerung findet auch innerhalb der einzelnen Ladesäulen eine bedarfsgerechte Verteilung der Leistung statt. Die genaue Aufteilung – der sogenannte "Powersplit" – variiert je nach Typ der Ladesäule und erfolgt in größeren Leistungsstufen (siehe Infobox).

Fazit

Netzanschlussleistung kann an einem Schnellladestandort aus erschliessungstechnischen oder wirtschaftlichen Gründen limitiert sein. Weil Ladevorgänge in der Regel nicht simultan stattfinden und die Ladekurven nach einigen Minuten auf Höchstniveau auch wieder abfallen, haben Leistungseinschränkungen in vielen Fällen oft kaum einen Einfluss auf die Ladedauer. Wo ein Ladestandort trotzdem an seine Leistungsgrenzen kommt, sorgt ein intelligentes Lastmanagement dafür, dass die verfügbare Leistung optimal auf die aktiven Ladesäulen verteilt wird. So wird sichergestellt, dass die Leistung auch wirklich an der Ladesäule zur Verfügung steht, an der die höchste Nachfrage besteht. Die Leistungsbegrenzung an einem Standort wird in der Regel so eingestellt, dass die Auswirkungen auf die jeweilige Ladedauer nur geringfügig ist. Was den Faktor Leistungspreis betrifft, darf erwartet werden, dass dieser dank der höheren Auslastung beim Setzen von Leistungsbegrenzungen an Bedeutung verlieren wird. 

Powersplit innerhalb der Ladesäule

Neben dem standortbezogenen Smart-Charging-System findet auch innerhalb der einzelnen Ladesäulen eine mehr oder weniger dynamische Leistungsverteilung bei zwei gleichzeitigen Ladevorgängen statt. Wie die Leistung genau aufgeteilt wird, hängt vom jeweiligen Ladesäulentyp ab. Je nach Ladesäulentyp wird erfolgt eine fixierte Leistungsaufteilung auf beide Stecker oder eine dynamische Abstufung in Schritten von 50 Kilowatt.