Traktionsbatterien in Elektrofahrzeugen stellen eine Option dar, überschüssige, regenerativ erzeugte Energie zwischenzuspeichern und bei Bedarf in Spitzenlastzeiten wieder ins Netz einzuspeisen. Es lässt sich bisher noch nicht zuverlässig beurteilen, inwiefern diese Rückspeisevorgänge die Alterung der Batterie beschleunigen. Die Degradierung hängt unter anderem von der Entladetiefe ab, ist jedoch noch nicht ausgiebig untersucht worden. Mitsubishi berichtet sogar, dass der durch aktive Rückspeisung induzierte bidirektionale Energiefluss das Batterieleben verlängern kann. Vor diesem Hintergrund ist auch ein geeigneter Anreizmechanismus für Endverbraucher, das E-Fahrzeug als netzstützenden und -schonenden Energiespeicher zur Verfügung zu stellen, noch Gegenstand der Forschung.
Die Vorteile der Integration eines Elektrofahrzeugs in das Energienetz und dessen Eignung als mobiler Energiespeicher und -verbraucher untersuchte das Forschungsprojekt iZeus [1] am Karlsruher Institut für Technologie. Dafür kam der Prototyp eines intelligenten Haushalts mit beobachtbaren und steuerbaren Haushaltskomponenten zum Einsatz: das Energy Smart Home Lab (ESHL). Die Intelligenz der Haushaltskomponenten ist darüber definiert, dass sie ihren Zustand kommunizieren können und sich durch Steuersignale beeinflussen lassen. Beispiele für sinnvoll beeinflussbare Hausgeräte sind Waschmaschinen, Trockner, Geschirrspülmaschinen oder Klimaanlagen aus PCM-Kühlmodulen (Phase Change Material; Phasenwechselmaterial zur Speicherung von Latentwärme). Sinnvoll beeinflussen bedeutet hier, dass sich der Programmstart oder Betrieb ohne Komforteinbußen für Hausbewohner zeitlich verschieben lässt. Energie speisen lokal eine PV-Dachanlage und ein Mikro-BHKW ein.
Automatisierte Planung
Die Hausbewohner erhalten eine detaillierte Übersicht über alle aktuellen und historischen Energieflüsse im Haus, den aktuell und für die nächsten 24 Stunden zeitvariablen (simulierten) Strompreis, die Lastgrenze sowie weitere energierelevante Daten. Dargestellt werden die Daten mit Hilfe einer webbasierten Anwendung, dem Energy Management Panel (EMP). Auf dieses können sie über diverse installierte Touchscreen-Displays zugreifen. Das EMP dient der Sensibilisierung des Benutzers hinsichtlich Stromverbrauch und Leistungsspitzen – und darüber hinaus als Benutzungsschnittstelle, um mit dem Energiemanagementsystem (EMS) des Hauses zu interagieren. So kann die zeitliche Flexibilität der Bewohner hinsichtlich der Start- und Endzeitpunkte der intelligenten Hausgeräte als auch des Abfahrtszeitpunkts mit dem E-Fahrzeug erschlossen werden. Der Nutzer kann auch festlegen, wie groß die gewünschte minimale Reichweite sein soll, die das E-Fahrzeug für unvorhergesehene Fahrten stets vorhalten sollte. Basierend auf der von extern kommunizierten (ebenfalls simulierten) Lastgrenze, die eine dynamische obere Grenze für die kumulierte Haushaltslast definiert und deren Überschreitung zusätzliche Kosten verursacht, dem eigentlichen Strompreis sowie den Benutzerpräferenzen erfolgt eine automatisierte zeitliche Einplanung der Geräte durch das EMS.
Das im Projekt iZeus verwendete E-Fahrzeug ist ein Prototyp eines elektrifizierten Opel Meriva, dessen eingebaute Lithium-Ionen-Batterie eine Gesamtkapazität von 16 kWh aufweist (Reichweite circa 60 km), wovon jedoch nur ca. 12 kWh für das Fahren zur Verfügung stehen. Durch den speziell eingebauten Wechselrichter ist das Fahrzeug in der Lage, Energie aus der Batterie auch wieder in das Netz beziehungsweise das ESHL mit einer maximalen Leistung von 4,2 kW zurückzuspeisen. Die maximale Ladeleistung beträgt 11 kW.
Das Energiemanagementsystem, das im Smart Home zum Einsatz kommt, hat die Aufgabe, sämtliche thermische und elektrische Verbraucher zu beobachten. Basierend auf den beobachteten Zustandsinformationen, vom Benutzer über das EMP mitgeteilten Präferenzen sowie Preis- und Lastgrenzensignalen wird ein Gesamtlastprofil erzeugt, das eine vorher definierte Zielfunktion erfüllt. So lässt sich als Ziel festlegen, dass die Gesamtstromkosten des Haushalts zu minimieren sind oder der vor Ort produzierte Strom aus der PV-Anlage und dem Mikro-BHKW bestmöglich für die Deckung der eigenen Hauslast genutzt wird, anstatt die erzeugte Energie in das Netz einzuspeisen.
Minimalverbrauch
Zur Optimierung des Gesamtstromverbrauchs des Haushalts dient eine sogenannte Metaheuristik, die innerhalb zeitlicher und rechenkapazitätsbedingter Restriktionen eine Näherungslösung für ein Optimierungsproblem finden kann. Sie liefert also nicht unbedingt das bestmögliche, aber zumindest ein gutes Ergebnis. Gerade für ein kleines stromsparendes System, wie es für normale Haushalte sinnvoll wäre, ist ein solcher Ansatz von Vorteil. So könnte das im iZeus-Projekt eingesetzte EMS auch auf einem Raspberry Pi (einem kreditkartengroßen Einplatinencomputer) laufen.
Der Ladevorgang von Elektrofahrzeugen wird heutzutage über ein analoges sicherheitstechnisches Protokoll auf niederer Ebene gemäß der Norm IEC 61851 realisiert. Eine rudimentäre Laststeuerung durch eine ladestationsseitige Begrenzung des Ladestroms ist hierüber zwar bereits möglich. Allerdings können bisher energierelevante Mehrwertinformationen, die eine genauere Planbarkeit der Lastverschiebung erlauben, nicht übertragen werden. Ist die Gesamtenergiemenge bekannt, die das Elektrofahrzeug für eine vollgeladene Batterie noch benötigt oder gar der vom Fahrer geplante Abfahrtszeitpunkt, könnte die Flexibilität des Ladebedarfs ausgeschöpft werden. Damit erst ergäbe sich ein signifikantes Lastverschiebepotenzial.
Zukunftsfähig kommunizieren
Genau dies ist das Ziel der weltweiten Standardisierung des IP-basierten Kommunikationsprotokolls ISO/IEC 15118, das die Kommunikation zwischen Elektrofahrzeug und Ladestation auf höherer Ebene definiert. Betitelt mit „Road Vehicles – Vehicle-to-Grid Communication Interface“ besteht diese Norm bereits aus acht Teilen [2]. Dieses Protokoll ermöglicht einen benutzerfreundlichen „Plug-and-Charge“-Mechanismus. Der Elektromobilist muss lediglich das Ladekabel in Fahrzeug und Ladestation einstecken. Alle Aspekte der Authentifizierung, Autorisierung, Abrechnung sowie Ladesteuerung werden automatisiert im Hintergrund abgewickelt, ohne dass eine weitere Interaktion des Nutzers vonnöten ist. Dieser Automatismus basiert auf den Informationen eines Vertrages zwischen Kunde und E-Mobilitäts-Anbieter, der im E-Fahrzeug abgespeichert ist.
Das Kommunikationsprotokoll folgt einem Client-Server-Schema. Die Kommunikationseinheit im Elektrofahrzeug (Client) sendet stets eine Anfrage, auf welche die Kommunikationseinheit in der Ladestation (Server) innerhalb eines je Nachricht definierten Timeouts antworten muss. Auf diese Weise werden alle für den Ladevorgang relevanten technischen Parameter ausgetauscht wie die benötigte Energiemenge des E-Fahrzeugs, der vom Fahrer vorgegebene Abfahrtszeitpunkt, maximale und minimale erlaubte Ladeströme sowie erlaubte Nominalspannung von E-Fahrzeug und Ladestation, optionale Tariftabellen (für eine kostenbasierte Optimierung des Ladeverlaufs) sowie eine verbindliche Lastgrenze. Darüber hinaus ist es jedoch der Ladestation möglich, mittels eines gesetzten Parameters in Antwortnachrichten die Neuverhandlung des Ladefahrplans zu veranlassen, um dynamisch auf unvorhergesehene Netzsituationen zu reagieren.
Der Kommunikationsfluss zwischen einzelnen Ladestationen und einer darüber liegenden zentralen Managementinstanz, sei es ein Flotten-Energiemanagementsystem, ein Verteilnetzbetreiber oder ein E-Mobilitäts-Anbieter jeglicher Art, kann wiederum über das europaweit bereits weit verbreitete Open Charge Point Protocol (OCPP) abgewickelt werden.
Im Forschungsprojekt iZeus wurde ein Softwareprototyp des ISO/IEC-15118-Protokolls sowohl für das E-Fahrzeug als auch die Ladestation entwickelt und über eine Kommunikationsschnittstelle an das Energiemanagementsystem des Smart Home angebunden. Der Prototyp wurde um Parameter für die Rückspeisung von Energie erweitert, die bisher noch nicht spezifiziert wurden, jedoch kompatibel zum Standard sind. Somit konnte das E-Fahrzeug erfolgreich als flexibler Verbraucher und Energiespeicher eingesetzt werden [3], was dazu geführt hat, dass in diversen real durchgeführten Wohnphasen sowie zusätzlichen Simulationen erhebliche Kostenersparnisse festgestellt werden konnten.
[1] www.izeus.kit.edu
[2] www.smart-v2g.info/blog/?page_id=462 (Blog von Marc Mültin)
[3] http://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:swb:90-421027
