Themen wie CO2-Reduktion und die Einhaltung der vorgegebenen Grenzwerte sind aktueller denn je. Diese sind eng verbunden mit dem der Vision der All Electric Society. Sie beschreibt eine Welt, in der regenerativ erzeugte elektrische Energie als primäre Hauptenergieform weltweit in ausreichendem Maße und vollständig wirtschaftlich zur Verfügung steht. Grundlage dafür ist die umfassende Elektrifizierung, Vernetzung und Automatisierung aller Sektoren von Wirtschaft und Infrastrukturen - so auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge und eine intelligente Ladeinfrastruktur.
Bedarfsgerechte Energieversorgung
Mit dem Zuwachs an Elektrofahrzeugen wird auch die Anforderung nach bereitzustellender Energie für den Ladevorgang höher. Der Mobilitäts- und der Energiesektor müssen dabei intelligent miteinander gekoppelt werden, um eine saubere und bedarfsgerechte Erzeugung, Speicherung und Verteilung der Energie zu ermöglichen. Es gilt zu berücksichtigen, dass es sowohl Zeiten mit höherer Anforderung an die Bereitstellung von Energie als auch Ruhephasen geben wird, je nach Tageszeit und Wochentag. Die zunehmende Elektromobilität bedingt grundsätzlich einen Mehrbedarf; in diesem Kontext sind sowohl die Themen Energieerzeugung als auch intelligente Energieverteilung besonders zu betrachten.
Schaut man sich die Energieverteilungsnetze in Deutschland an, so haben wir heute im Mittelspannungsbereich eine typische Ring-Topologie, geprägt durch Ring Main Units, die mit weiteren Schaltanlagen verbunden sind. Speziell in der Niederspannungs- und auch in der Mittelspannungsverteilung stoßen wir heute bereits mit der aktuellen technischen Ausrüstung an unsere Grenzen. Aus diesem Grund ist es auch sehr wichtig, dass die Elektromobilität und die damit verbundenen Ladevorgänge bei den weiter auszubauenden intelligenten Energienetzen berücksichtigt werden. Über Mittel wie zum Beispiel dem Monitoring der bereitgestellten Leistung oder dem Einsatz von Ladezeitprogrammen, die das Verhältnis zur Verfügung stehender und benötigter Leistung abbilden, muss sichergestellt werden, dass die benötigte Kapazität zu jeder Zeit zur Verfügung gestellt werden kann.
Noch komplexer werden die Anforderungen an Energie-Verteilungsnetze, wenn regenerative Energiequellen mit eingebunden werden sollen. Zu diesen gehören eine wachsende Zahl Solar- oder Windenergie-Parks, die quellenbedingt – der Wind weht unterschiedlich stark, die Sonne scheint nicht immer… - eine undeterminierbare Energiemenge beitragen.
Ladeinfrastruktur in Energienetze einbinden
Eine funktionierende Ladeinfrastruktur unter Einbindung aller erneuerbaren Energiequellen ist die Kernvoraussetzung dafür, dass der Markt für Elektrofahrzeuge sich weiterhin schnell entwickeln kann. Um sicherzustellen, dass die hier angesprochene benötigte Energie wann immer notwendig angeboten werden kann, sind unterstützende Maßnahmen zum bestehenden Versorgungsnetz notwendig, beispielsweise das Aufstellen von Batterie-Containern, die überschüssige Energie speichern und zu jeder Zeit abrufbar zur Verfügung stellen. Weiterhin wird eine leistungsstarke Ladetechnik benötigt, mit der zu jedem Zeitpunkt die maximal mögliche Leistung für das Laden der Elektrofahrzeuge zur Verfügung gestellt werden kann.
Die leistungsstarke Charx power-Lösung von Phoenix Contact beinhaltet sowohl einzelne Lademodule zum Einbau in die Ladesäule als auch ganze Systemschränke für die Versorgung von Ladeparks im Megawattbereich.
Charx power Leistungsmodule für die Ladesäule
Charx power Leistungsmodule eignen sich ideal für den Aufbau von DC-Ladetechnik bis hin zum High Power Charging (HPC) von Elektrofahrzeugen. Sie sind in 19“-Technik aufgebaut und somit für den Einbau in jegliche Standard 19“-Schränke geeignet. Die Leistungsvarianten, die kürzlich in den Markt eingeführt wurden, sind das 30 kW AC/DC Modul sowie ein 30 kW DC/DC Modul mit einer Ausgangsspannung von maximal 1000 V DC. Diese Module zeichnen sich vor allem durch ihre innere galvanische Isolation aus, was einen zusätzlichen Transformator in vielen Fällen überflüssig macht. Des Weiteren zeichnen sich die Module dadurch aus, dass sie der Emissionsklasse B entsprechen und somit auch in urbaner Umgebung eingesetzt werden können. Dies ist eine wichtige Voraussetzung, wenn man beabsichtigt diese Module auch in Einkaufszentren oder privaten Haushalten einzusetzen. Zudem kann das 30 KW AC/DC Modul an einem herkömmlichen 3-Phasen-Anschluss mit 380 V und 32 A zum Einsatz kommen.
Die Module sind kaskadierbar und lassen sich in einem 19-Zoll-Schaltschrank zu einer Ladelösung mit einer Leistung von bis zu 360 kW kombinieren. Die moderne von Phoenix Contact entwickelte Anschlusstechnik ermöglicht eine schnelle und sichere Verdrahtung. Die Module sind mit Lüftern ausgestattet, so dass in den meisten Fällen keine zusätzlichen Lüfter oder Klimaanlagen installiert werden müssen. Alle von Unternehmen angebotenen Module verfügen über die gleiche Leistungs-Kennlinie. Die Geräte halten die Ladeleistung während des Betriebes stets auf einem konstanten Level.
87,5 kW-Module im Detail
Bereits seit 2020 bietet das Unternehmen eine Lade-Lösung mit 87,5 kW-Modulen, die in einem speziell für diesen Typ entwickelten Schrank eingebaut werden. Diese Module haben einen Wirkungsgrad von >97 Prozent und sind mit einer Ausgangsspannung von 920 V sind bestens für HPC-Ladevorgänge geeignet. Dieser hohe Wirkungsgrad wird unter anderem erreicht, indem innerhalb des Moduls auf eine verlustbehaftete galvanische Trennung verzichtet wird. Dies hat aber zur Folge, dass aus Sicherheitsgründen eine galvanische Trennung mittels eines vorgeschalteten Transformators vorgesehen werden muss. Es kann sich hierbei um einen Mittelspannungstransformator handeln, wenn sich eine Mittelspannungs-Schaltanlage in der Nähe befindet. Zu beachten ist hier auch, dass dieser Schaltschrank mit den eingebauten Modulen nur in Schutzart IP 20 ausgeführt ist und somit in einer umschlossenen Umgebung installiert werden muss. Für den Fall, dass eine Transformatorstation neu aufgebaut werden muss, sollte eine Kosten-/Nutzen-Analyse durchgeführt werden, um gegebenenfalls eine andere geeignete Lösung für die geplante Ladestation zu finden.
Auch die 87,5 kW-Module sind kaskadierbar, und in dem zugehörigen Schaltschrank lassen sich 4 Module mit einer Ladeleistung bis zu 350 kW aufbauen. Maximal können bis zu 35 87,5 kW-Module parallel verschaltet und somit eine Ladeleistung von bis 3 MW ermöglicht werden. Leistungen dieser Größenordnung werden unter anderem dazu benötigt, um Energiespeicherkapazitäten im MW-Bereich zu laden.
Weiterhin ermöglichen die 87,5 kW-Module bei Bedarf die Energie aus den Energiespeichern in das Netz zurückzuspeisen. Durch diese bidirektionale Eigenschaft ist neben der originären Ladefunktion auch die Möglichkeit gegeben, unerwartete Spitzenlasten im Energienetz direkt auszugleichen; dieser Vorgang wird in Fachkreisen als „peak shaving“ bezeichnet.
Die Anwendungsgebiete für die Charx Power-Module sind vielfältig. In erster Linie kommen sie in Ladestationen für Elektrofahrzeuge zur Anwendung. Aber auch Applikationen in anderen Bereichen sind möglich, wie zum Beispiel das Laden von mobilen Batteriecontainern, die für den Einsatz auf Baustellen benötigt werden, oder aber im sich entwickelnden Markt der industriellen DC-Versorgung.
Alles für die E-Mobility-Ladeinfrastruktur
Charx von Phoenix Contact umfasst ein umfangreiches Angebot für den Aufbau einer leistungsstarken Ladeinfrastruktur: Neben der hier vorgestellten DC-Leistungselektronik Charx power bietet Phoenix Contact ein vollständiges Portfolio abgestimmter Ladetechnik-Komponenten, vom CCS-Ladekabel bis zur Lademanagement-Lösung. Darüber hinaus ist eine Unterstützung bei der Konzeption und Planung der Ladelösung möglich, von der AC-Wallbox bis zur HPC-Schnellladestation.
