Word2010 MA Hiltrop Barrierefreie Ladeinfrstruktur 09 09...

Fakultät für Anlagen, Energie- und Maschinensysteme

Fraunhofer Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation

Masterarbeit

Konzept für eine barrierefreie Ladeinfrastruktur für

E-Mobile in der Europäischen Union

von

Stefan Hiltrop

zur Erlangung des akademischen Grades eines

Master of Science (M.Sc.)

Erneuerbare Energien

Referent: Prof. Dr. Eberhard Waffenschmidt, FH Köln

Korreferent: Dr.-Ing. Sabine Wagner, Fraunhofer IAO

Ausgabe: 05.03.2014

Abgabe: 14.07.2014

Konzept für eine barrierefreie Ladeinfrastruktur für E-Mobile in

der Europäischen Union

Concept for a barrier free charging infrastructure for e-mobiles

in the European Union

Masterarbeit von

Stefan Hiltrop

Matrikel-Nr.: 11093417

an der Fakultät für Anlagen , Energie- und Maschinensysteme der Fachhochschule Köln,

für das Fraunhofer Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation

Ausgabe: 05.03.2014

Abgabe: 14.07.2014

Referent: Prof. Dr. Eberhard Waffenschmidt, FH Köln Korreferent: Dr.-Ing. Sabine Wagner, Fraunhofer IAO

Seiten: 77 Abbildungen: 33 Tabellen: 20

Keywords: barrierefreie Ladeinfrastruktur, Elektromobilität, EU, Normen, Roaming, Netzvoraus-

setzungen, Technologiebewertung, Morphologischer Kasten, Nutzwertanalyse, Quali-

ty-Function-Deployment

Kurzfassung:

Elektromobilität ist ein Schlüssel zu einer nachhaltigen Mobilität, mit der die Abhängigkeit von Erdöl sowie verkehrsbedingte Umweltauswirkungen reduziert werden können. Die öffentliche Ladeinfra-

struktur ist dabei ein wesentlicher Teil, um Elektromobilität voranzutreiben, in der Öffentlichkeit

wahrnehmbarer zu machen und bestehende Reichweitenängste abzubauen. In dieser Masterarbeit

wird anhand von Technologiebewertungsmethoden ein Konzept für barrierefreie Ladeinfrastruktur in

der EU entwickelt. Im ersten Teil wird das Begriffsumfeld Ladeinfrastruktur und der Stand der Tech-

nik dargestellt. Technische Komponenten für den Ladevorgang und der Zusammenhang zwischen den

beteiligten Akteuren werden erläutert. Ein besonderer Blick wird hierbei auf den aktuellen Stand der

Normung gelegt. Dieser ist weit vorangeschritten, gerade jedoch die ISO 15118 zur Netzintegration

ist noch nicht vollständig abgeschlossen. Im zweiten Teil der Arbeit wird die aktuelle Situation in der

EU erläutert. Der Ausbaustand wird anhand von bestehenden und geplanten Ladestationen darge-stellt und die Unterschiede in den europäischen Verteilnetzen aufgezeigt. Zudem werden einige aus-

gewählte Beispiele für Projekte zur internationalen Vernetzung von Elektromobilität und Ladeinfra-

struktur aufgeführt. Das Konzept wird nach dem Decision-Analysis-Process in den Schritten Problem-

identifizierung, Problemstrukturierung, Modellbildung und Modellhinterfragung systematisch erar-

beitet. Durch hierarchische Zielentwicklung werden die Anforderungen an die Ladeinfrastruktur auf-

gestellt. Diesen werden durch die Methode des morphologischen Kastens Lösungsmöglichkeiten

zugeordnet. Die verschiedenen Komponenten werden anschließend mittels Nutzwertanalyse und

Quality-Function-Deployment kriterienorientiert bewertet. Dabei stellt sich heraus, dass ein Smart

Charge Communication Protocol nach ISO 15118, roamingfähige Backendserver, EDL40-Smartmeter

und die Verwendung von Powerline-Communication, unter anderen, die entscheidenden Komponen-ten der Ladeinfrastruktur darstellen, um die aktuell bestehenden Barrieren in der internationalen

Nutzung von Ladeinfrastruktur zu beheben.

Eidesstattliche Erklärung

Name, Vorname:

Mätrikel-Nr.

Thema der Masterarbeit:

Konzept fü, elne bartierefreie Ladeinfrastruktur für E-Mobile in der Europäischen Union

Concept for a barrier free charging infrastrucure for e-mobiles in the Euopean union

lch erkläre hiermit, dass ich meine Masterarbeit se lbstständig ve rfasst und keine anderen äls die von

mir angegebenen und bei zitaten kenntliche Semachten Quellen und Hilfsmittel benutzt habe.

Hiltrop, Stefan

tto934l7

Garmisch-Partenkirchen 05.09.2014

Ort, Datum

Erklärung

Mätrikel-Nr.

Hiltrop, Stefan

71093417

Thema der Masterarbeit:

Nonzept für eine barrierefreie Ladeintrastruktur tür E-Mobile in der Europäischen Union

conc€pt for a bärierfree charging infrastrudure for e-mobiles in the Europeän lJnion

lch erlaube, dass die Arbeit vom Betreuer im lnte rnet ve röffentlicht wird.

Die folgenden Abbildungen sind von anderen Autoren übernommen:

Abbildung 26

Die Nutzun8srechte für die Veröffentli.hung im Rahmen dieser Masterarbeit sind mir nicht erteilt

worden, daher werden sie in der öffentlichen Version geschwärzt dar8estellt.

Bei allen übrigen Abbildungen lie8en die Nutzungsrechte vor oder die Abbildungen sind von mir

selbst erstellt worden.

Garmisch-Partenkirchen 05.09.2014

Kurzfassung

Elektromobilität ist ein Schlüssel zu einer nachhaltigen Mobilität, mit der die Abhängigkeit von Erdöl

sowie verkehrsbedingte Umweltauswirkungen reduziert werden können. Die öffentliche Ladeinfra-

struktur ist dabei ein wesentlicher Teil, um Elektromobilität voranzutreiben, in der Öffentlichkeit

wahrnehmbarer zu machen und bestehende Reichweitenängste abzubauen.

In dieser Masterarbeit wird anhand von Technologiebewertungsmethoden ein Konzept für

barrierefreie Ladeinfrastruktur in der EU entwickelt. Im ersten Teil wird das Begriffsumfeld Ladeinfra-

struktur und der Stand der Technik dargestellt. Technische Komponenten für den Ladevorgang und

der Zusammenhang zwischen den beteiligten Akteuren werden erläutert. Ein besonderer Blick wird

hierbei auf den aktuellen Stand der Normung gelegt. Dieser ist weit vorangeschritten, gerade jedoch

die ISO 15118 zur Netzintegration ist noch nicht vollständig abgeschlossen.

Im zweiten Teil der Arbeit wird die aktuelle Situation in der EU erläutert. Der Ausbaustand wird an-

hand von bestehenden und geplanten Ladestationen dargestellt und die Unterschiede in den europä-

ischen Verteilnetzen aufgezeigt. Zudem werden einige ausgewählte Beispiele für Projekte zur inter-

nationalen Vernetzung von Elektromobilität und Ladeinfrastruktur aufgeführt.

Das Konzept wird nach dem Decision-Analysis-Process in den Schritten Problemidentifizierung, Prob-

lemstrukturierung, Modellbildung und Modellhinterfragung systematisch erarbeitet. Durch hierarchi-

sche Zielentwicklung werden die Anforderungen an die Ladeinfrastruktur aufgestellt. Diesen werden

durch die Methode des morphologischen Kastens Lösungsmöglichkeiten zugeordnet. Die verschiede-

nen Komponenten werden anschließend mittels Nutzwertanalyse und Quality-Function-Deployment

kriterienorientiert bewertet.

Dabei stellt sich heraus, dass ein Smart Charge Communication Protocol nach ISO 15118,

roamingfähige Backendserver, EDL40-Smartmeter und die Verwendung von Powerline-

Communication, unter anderen, die entscheidenden Komponenten der Ladeinfrastruktur darstellen,

um die aktuell bestehenden Barrieren in der internationalen Nutzung von Ladeinfrastruktur zu behe-

ben.

I

Inhalt

Inhalt......................................................................................................................................................... I

Abbildungsverzeichnis ............................................................................................................................ III

Tabellenverzeichnis ................................................................................................................................ IV

Formelverzeichnis ................................................................................................................................... V

Abkürzungsverzeichnis ........................................................................................................................... VI

1 Einleitung ................................................................................................................................. 1

1.1 Elektromobilität, erneuerbare Energien und die Energiewende ............................................. 2

1.2 Methodik .................................................................................................................................. 4

1.2.1 Technologiebewertung .................................................................................................... 4

1.2.2 Morphologischer Kasten .................................................................................................. 6

1.2.3 Nutzwertanalyse und Quality-Function-Deployment ...................................................... 7

2 Begriffsumfeld Ladeinfrastruktur........................................................................................... 10

2.1 Elektrofahrzeuge .................................................................................................................... 10

2.2 Ladearten ............................................................................................................................... 13

2.3 Steckertypen und Aufbau der Ladesäule ............................................................................... 17

2.4 Authentifizierungs- und Abrechnungsarten .......................................................................... 19

2.4.1 Roaming in der Elektromobilität .................................................................................... 20

2.5 Dienstleistungen und Geschäftsmodelle im Zusammenhang mit Ladeinfrastruktur ............ 23

2.6 Stakeholder im Bereich Ladeinfrastruktur ............................................................................. 26

2.7 Kosten verschiedener Ladeinfrastrukturlösungen ................................................................. 31

2.8 Normen, Richtlinien und Gesetze .......................................................................................... 35

2.8.1 Systemübersicht - Standardisierung und Normungs-Roadmap der Nationalen Plattform

Elektromobilität .............................................................................................................. 37

2.8.2 Normungsaktivitäten in Deutschland ............................................................................ 40

2.8.3 Normungsaktivitäten in der Europäischen Union .......................................................... 42

2.8.4 Internationale Normungsaktivitäten .............................................................................. 44

2.8.5 Übersicht über Normen ................................................................................................. 45

3 Ladeinfrastruktur in der EU .................................................................................................... 49

3.1 Ausbaustand .......................................................................................................................... 49

3.2 Ausbauziele ............................................................................................................................ 52

3.3 Netzvoraussetzungen im europäischen Vergleich ................................................................. 54

II

3.3.1 Das CIGRE-Referenznetz ................................................................................................. 54

3.3.2 Vergleich der Netzvoraussetzungen in den EU-Mitgliedsstaaten .................................. 56

3.4 Projekte zur internationalen Vernetzung von Ladeinfrastruktur .......................................... 59

3.4.1 EU-Projekte .................................................................................................................... 59

3.4.2 Roamingplattformen in der EU ...................................................................................... 59

3.4.3 eMI³ ................................................................................................................................ 60

3.4.4 Online-Karten für Ladestationen .................................................................................... 61

4 Konzept zur barrierefreien Ladeinfrastruktur in der EU ........................................................ 62

4.1 Chancen und Barrieren - Problemidentifizierung .................................................................. 62

4.2 Hierarchische Zielentwicklung und Systemabgrenzung - Problemstrukturierung ................ 63

4.3 Morphologischer Kasten Ladeinfrastruktur - Problemstrukturierung ................................... 67

4.4 Ergebnisse der Bewertung nach Nutzwertanalyse und Quality-Function-Deployment -

Modellbildung ........................................................................................................................ 70

5 Fazit und Ausblick .................................................................................................................. 76

Literaturverzeichnis ............................................................................................................................... 78

Anhang .................................................................................................................................................. 84

A1: EURELECTRIC-Tabelle – Vergleich von Netzparametern in der EU ............................................. 84

A2: Morphologischer Kasten ............................................................................................................. 86

A3: Bewertungstabelle Teil 1 ............................................................................................................. 87



A6: CIGRE Referenznetz ..................................................................................................................... 90

A7: E-Roaming Schemata .................................................................................................................. 91

III

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Treibhausgasemissionen Deutschland 2012 ...................................................................... 3

Abbildung 2: Aufgaben, Entscheidungen und Methoden im Technologiemanagement ........................ 4

Abbildung 3: Entwicklungsphasen des Leitmarkts .................................................................................. 5

Abbildung 4: Decision-Analysis-Process zur Problemstrukturierung ...................................................... 6

Abbildung 5: Prinzip des morphologischen Kastens ............................................................................... 6

Abbildung 6: Quality Function Deployment (QFD) und Expanded House of Quality (EHOQ) ................. 9

Abbildung 7: Elektrisch angetriebene Verkehrsmittel .......................................................................... 10

Abbildung 8: Schema Mode 1 ............................................................................................................... 13

Abbildung 9: Schema Mode 2 ............................................................................................................... 14

Abbildung 10: Schema Mode 3 ............................................................................................................. 14

Abbildung 11: Schema Mode 4 ............................................................................................................. 14

Abbildung 12: Schema induktiv ............................................................................................................. 15

Abbildung 13: Steckertypen zum Laden von Elektroautos ................................................................... 17

Abbildung 14: Steckertypen und Verschaltung ..................................................................................... 18

Abbildung 15: Elektrische Komponenten der Ladeinfrastruktur .......................................................... 18

Abbildung 16: Fallunterscheidung E-Roaming ...................................................................................... 22

Abbildung 17: Indirekte und direkte Zähleranbindung ......................................................................... 24

Abbildung 18: Überblick verschiedener Vorschläge elektromobiler Geschäftsmodelle ....................... 26

Abbildung 19: Stakeholderklassen ........................................................................................................ 27

Abbildung 20: Ebenen einer Referenzarchitektur Ladeinfrastruktur .................................................... 28

Abbildung 21: Stakeholderinteressen ................................................................................................... 30

Abbildung 22: Übersicht und innere Struktur der Normungs- und Standardisierungslandschaft ........ 35

Abbildung 23: Entwicklungsprozess von Normen der IEC ..................................................................... 36

Abbildung 24: Domänenübersicht Standardisierungsbedarf für Ladeinfrastruktur ............................. 37

Abbildung 25: Nationale Abstimmung bei der Normung und Standardisierung zur Elektromobilität . 41

Abbildung 26: Gremien bei DIN, NA Automobil und DKE ..................................................................... 41

Abbildung 27: Verteilung der Ladepunkte pro 1 Mio. Einwohner ........................................................ 49

Abbildung 28: Entwicklung der Ladepunkte bis 2019 nach Frost&Sullivan .......................................... 54

Abbildung 29: Netzvarianten der Niederspannungsebene ................................................................... 55

Abbildung 30: CIGRE-Referenznetz ....................................................................................................... 56

Abbildung 31: Hierarchische Zielentwicklung - barrierefreie Ladeinfrastruktur................................... 64

Abbildung 32: Schnittstellen des Ladeinfrastrukturkonzepts ............................................................... 66

Abbildung 33: Einschränkungen durch Rahmenbedingungen und Voraussetzungen .......................... 68

IV

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Vergleich der CO2 Emissionen nach Kraftstoff ........................................................................ 2

Tabelle 2: Beispiel für eine NWA-Matrix ................................................................................................. 8

Tabelle 3: Einteilung der Fahrzeuge nach Elektrifizierungsgrad ........................................................... 12

Tabelle 4: Ladearten .............................................................................................................................. 16

Tabelle 5: Übersicht über Ladeleistung ................................................................................................. 16

Tabelle 6: Ladeinfrastrukturszenarien zur ökonomischen Bewertung ................................................. 31

Tabelle 7: Kosten des konduktiven Ladesystems auf Basis von Einzelkomponenten ........................... 32

Tabelle 8: Kosten des induktiven Ladesystems ..................................................................................... 33

Tabelle 9: Gesamtüberblick der Ladeinfrastrukturkosten .................................................................... 34

Tabelle 10: Beteiligte Gremien in DIN und DKE .................................................................................... 42

Tabelle 11: Beteiligte Gremien in CEN, CENELEC und ETSI ................................................................... 43

Tabelle 12: Beteiligte Gremien in ISO, IEC und ITU ............................................................................... 44

Tabelle 13: Normen Ladeinfrastruktur .................................................................................................. 47

Tabelle 14: Stand der Ladeinfrastruktur in der EU ................................................................................ 51

Tabelle 15: EU-Mitgliedsstaaten mit geplanten Ausbauzielen für Ladepunkte .................................... 53

Tabelle 16: Online-Karten für Ladestationen ........................................................................................ 61

Tabelle 17: Morphologischer Kasten Ladeinfrastruktur ........................................................................ 67

Tabelle 18: Gewichtungsfaktoren ......................................................................................................... 70

Tabelle 19: Rangfolge der für das Konzept wichtigsten Komponenten nach der Bewertung .............. 74

Tabelle 20: Morphologischer Kasten Ladeinfrastruktur nach Bewertung ............................................ 75

V

Formelverzeichnis

Formel 1: Gesamtwert einer Variante in der NWA ................................................................................. 7

Formel 2: Gesamtkosten Ladeinfrastruktur .......................................................................................... 34

Formel 3: Strommehrkosten pro Fahrzeug ........................................................................................... 34

VI

Abkürzungsverzeichnis

AC Alternating Current

BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft

BEV Batterie Electric Vehicle

CD Committee Draft (Normenentwurf)

CDV Committee Draft for Vote (Normenentwurf)

CEN European Comittee for Standardization

CENELEC European Comittee for Electrotechnical Standardization

CIGRE International Council on Large Electric Systems

CNG Compressed Natural Gas

CSO Charging Station Operator

CSP Charge Service Provider

DC Direct Current

DIN Deutsches Institut für Normung

DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik

DSO Distribution System Operator

EMAID e-Mobility Account Identifier

EMV (EMC) Elektromagnetische Verträglichkeit

ETSI European Telecommunications Standards Institute

EURELECTRIC Union of the Electricity Industry

EVSEID Electric Vehicle Supply Equipment ID

EVU Energieversorgungsunternehmen

FCEV Fuelcell Electric Vehicle

FDIS Final Draft International Standard (Normenentwurf)

G2V Grid to Vehicle

IC-CPD In Cable Control and Protection Device

ICV Internal Combustion Vehicle

IEC International Electrotechnical Commission

ISO International Organization for Standardization

LNG Liquefied Natural Gas

LPG Liquefied Petroleum Gas

NFC Near Field Communication

NWA Nutzwertanalyse

NPE Nationale Plattform für Elektromobilität

OCPP Open Charge Point Protocol

OCHP Open Clearing House Protocol

OICP Open Intercharge Protocol

OEM Original Equipment Manufacturer

PHEV Plug-In Hybrid Electric Vehicle

PLC Power Line Communication

QFD Quality-Function-Deployment

RCD Residual Current Device

REEV Range Extended Electric Vehicle

RFID Radio Frequency Identification

SOAP Simple Object Access Protocol

TCO Total Costs of Ownership

VII

TSO Transmission System Operator

V2G Vehicle to Grid

WD Working Draft (Normenentwurf)

1

1 Einleitung

„Vor dem Hintergrund wachsender Anforderungen der Klimaschutzpolitik und einer steigenden

Abhängigkeit von knappen fossilen Energieressourcen wird die Einführung alternativer Energie-

träger und neuer Antriebstechnologien für den motorisierten Individualverkehr bereits seit vielen

Jahren diskutiert.“1

2010 wurden 95% des Energiebedarfs des Transportsektors in der Europäischen Union von Öl abge-

deckt, wobei 84% davon importiert werden mussten. Dies entsprach 2,5% des Bruttoinlandsproduk-

tes.2 Um diese Abhängigkeit zu reduzieren, hat die EU eine Strategie aufgestellt, langfristig Öl als

Energiequelle in allen Bereichen des Transportsektors zu ersetzen. Dabei spielt die Elektromobilität,

neben Gas (LPG, LNG, CNG), Biokraftstoffen und Wasserstoff als Energieträger eine entscheidende

Rolle.

Zur Etablierung von Elektromobilität wird zum einen von der Herstellerseite ein Angebot an Elektro-

fahrzeugen benötigt, umgekehrt hängt der Erfolg der Elektromobilität aber auch vom Aufbau einer

zweckmäßigen Infrastruktur ab. Oft wird die Verantwortung zwischen Automobilherstellern (Original

Equipment Manufacturer OEM) und Ladestationsbetreibern hin und her geschoben. Dies wird auch

als Henne-Ei-Problem oder Dead-Lock-Situation bezeichnet. Die Verbreitung einer neuen Antriebs-

technik und der Aufbau einer entsprechenden Infrastruktur bedingen sich jeweils gegenseitig.3 Das

deutsche Ziel 1 Mio. Elektrofahrzeuge bis 2020 auf die Straße zu bringen, kann dabei nur erreicht

werden, wenn alle Akteure an einem Strang ziehen. Dies zeigt die Wichtigkeit des Themas Ladeinfra-

struktur für die Elektromobilität.

„Eine nutzerfreundliche, sichere und flächendeckende kompatible Verbindung der Elektrofahr-

zeuge mit dem Energienetz ist ein entscheidender Erfolgsfaktor für die Diffusion der Elektromobi-

lität.“4

Bei einer Nutzung der Elektromobilität ähnlich des heutigen Individualverkehrs, ohne neue Konzepte,

welche weniger das Besitzen, als das Teilen von Fahrzeugen vorsehen, wird der Großteil der Ladevor-

gänge zu Hause oder am Arbeitsplatz erfolgen. Der öffentlichen Ladeinfrastruktur wird dabei in der

Literatur oft eine Vorreiterrolle zugesprochen, um Reichweitenängste zu verringern und die Elektro-

mobilität durch Präsenz in das Bewusstsein der Nutzer zu bringen.5

1 (Schill, 2010) S.140

2 (Europäische Kommission, 2013) S.2

3 Ebd. S.153

4 (Hüttl, et al., 2010) S.15

5 (Kley, 2011) S.XV

2

In dieser Arbeit wird mit Hilfe von Technologiebewertungsmethoden ein Konzept für einheitliche und

barrierefreie Ladeinfrastruktur erstellt. Dazu wird entlang der folgenden Fragen, zunächst ein Über-

blick über den Stand der Technik gegeben:

- Was bedeutet der Begriff Ladeinfrastruktur? (Kapitel 2)

- Welche Kosten verursachen verschiedene Ladeinfrastrukturvarianten? (Kapitel 2.7)

- Wie ist der aktuelle Stand der Normung im Bereich Ladeinfrastruktur? (Kapitel 2.8)

- Welche Unterschiede gibt es in den Netzvoraussetzungen der europäischen Mitgliedsstaa-

ten? (Kapitel 3)

- Wie ist der aktuelle Ausbaustand der Ladeinfrastruktur in der EU? (Kapitel 3.1)

- Was sind Herausforderungen beim Aufbau von Ladeinfrastruktur? (Kapitel 4.1)

1.1 Elektromobilität, erneuerbare Energien und die Energiewende

Die europäische Union hat mit den 20-20-20-Zielen festgelegt, bis 2020 die Treibhausgasemissionen

um mindestens 20% im Vergleich zum Jahr 1990 zu reduzieren, die Energieeffizienz um 20% zu stei-

gern und den Anteil der erneuerbaren Energien am Gesamtenergieverbrauch auf 20% zu erhöhen.

Die Elektromobilität kann dazu beitragen, diese Ziele zu erreichen.

Elektromobilität kann zum Klimaschutz beitragen, wenn Elektrofahrzeuge mit Strom aus erneuerba-

ren Energien geladen werden. Tabelle 1 zeigt den Ausstoß von CO2 pro gefahrenen Kilometer ver-

schiedener Kraftstoffe. Im Jahr 2012 betrug der Anteil der Treibhausgasemissionen (gemessen in

CO2-Äquivalent) des Verkehrssektors 16% der Gesamtemissionen (Abbildung 1).

Tabelle 1: Vergleich der CO2 Emissionen nach Kraftstoff6

Kraftstoff CO2-Emissionen [g/km]

Benzin (6,2 Liter) 147

Diesel (4,7 Liter) 125

CNG (5,3 kg) 118

Braunkohle (19,6 kWh) 216

Steinkohle 176

Elektrizitätsmix Deutschland 2012 987

GuD-Kraftwerk 72

Photovoltaik / Windkraft 8

Durch die Vermeidung von Emissionen am Elektrofahrzeug selbst, werden auch lokale Emissionen

deutlich verringert. Feinstaub-, Kohlendioxid-, Stickoxid- sowie Lärmemissionen werden vermieden,

was gerade in Ballungsräumen zur Steigerung der Luft- und Lebensqualität beitragen kann.

Weiter kann Elektromobilität zur Sicherung der Energieversorgung beitragen. Durch die vollständige

Integration der Elektrofahrzeuge in das Stromnetz können diese von reinen Verbrauchern zu aktiven

Speichern umfunktioniert werden. Hierdurch können Elektroautos sowohl positive als auch negative

6 (Waffenschmidt, 2013)

7 (Umweltbundesamt, 2013)

3

Regelleistung bereitstellen. Über geeignete Leistungselektronik können weitere Netzparameter be-

einflusst werden: Bereitstellung von Blindleistung, Phasensymmetrierung, Flickerkompensation, etc..

Abbildung 1: Treibhausgasemissionen Deutschland 20128

Durch die intelligente Nutzung der Batterie können Erzeugungsspitzen durch die volatil auftretenden

erneuerbaren Energien genutzt werden. Ungünstige Fluktuationseffekte werden dadurch geringer

und Erzeugungs- und Lastkurve aneinander angenähert. Durch die hierdurch mögliche Verbesserung

der Ausnutzung der Energie aus erneuerbaren Energiequellen, wird der Ausbau dieser unterstützt.

Umgekehrt können konventionelle Kraftwerke ebenfalls effizienter eingesetzt werden, wenn Regel-

leistung durch Elektrofahrzeuge bereitgestellt wird und nicht von trägeren Kraftwerken, wie Kohle-

kraftwerken, bereitgestellt werden muss.

Durch die Verwendung von Elektrofahrzeugen als Speicher im Netz kann die bestehende Netzkapazi-

tät besser ausgelastet werden, wodurch der benötigte Netzausbau verringert werden kann.9 Die da-

bei verringerte Lebensdauer der Traktionsbatterien der Elektrofahrzeuge muss jedoch in neuen Ge-

schäftsmodellen mit berücksichtigt werden. Hierbei können Second-Life-Konzepte, bei welchen die

Batterie nach eventuellem Austausch im Fahrzeug, immer noch als anderer Energiespeicher genutzt

werden kann, eine Rolle spielen.

Insgesamt fügen sich Elektrofahrzeuge sehr gut in ein Konzept von Elektrizitätserzeugung aus erneu-

erbaren Energiequellen und den dadurch entstehenden Wandel von einer zentralisierten zu einer

dezentralen Energieversorgung, ein. Um die positiven Möglichkeiten der Elektromobilität nutzbar zu

machen, bedarf es einer entsprechenden Schnittstelle zwischen Fahrzeug und Netz, welche grenz-

übergreifend interoperabel und austauschbar ist sowie eine optimale Ausnutzung der Infrastruktur

und der Energieerzeugung ermöglicht.10

8 Nach (Umweltbundesamt, 2014)

9 (CEN, CENELEC, 2011) S.3

10 Ebd. S.20

4

Den vielen Vorteilen der Einführung von Elektromobilität stehen jedoch auch Probleme und Heraus-

forderungen gegenüber. Eine internationale Koordinierung ist notwendig, um eine Marktfragmentie-

rung zu vermeiden. Teilweise ist die bestehende Ladeausrüstung nicht interoperabel mit Neuerungen

und bestehende Investitionsunsicherheit behindert den Aufbau der Ladeinfrastruktur.11

1.2 Methodik

Zunächst wird in diesem Kapitel das methodische Vorgehen erläutert.

1.2.1 Technologiebewertung

„Technologiebewertung bezeichnet die Beurteilung einer Technologie vor dem Hintergrund

unterschiedlicher Kriterien in verschiedenen Entscheidungssituationen.“12

Man kann die Aufgaben eines Technologiemanagements in vier Stufen unterscheiden, in denen zur

Bewertung und Entscheidungsfindung qualitative oder quantitative Bewertungsmethoden ausge-

wählt werden (Abbildung 2):

1. Technologiefrüherkennung

2. Technologieplanung

3. Technologieentwicklung

4. Technologieverwertung

Ausgewählte Aufgaben und Entscheidungen im Technologiemanagement

Technologiefrüherkennung Technologieplanung Technologieentwicklung Technologieverwertung

- Festlegung von Suchfel-

dern für neue Technolo-

gien

- Vorbewertung von identifi-zierten Technologien (schwache Signale)

- Entscheidung über Be-

schaffungsquellen, Leis-

tungsniveau und Einsatz-zeitpunk für konkrete

Technologien

- Initiierung von Technolo-

gieprojekten

- Controlling von laufenden

Technologieprojekten

- Entscheidung an den Gates

(Fortsetzung, Abbruch, Verzögerung)

- Entscheidung über Art der

Technologieverwertung

(intern, extern, hybrid)

Argumentenbilanz Maschinenstunden-

satzrechnung Entscheidungsbaumanalyse Fair-Value-Ansätze

Checklisten Kapitalwertmethode Realoptionsansatz

Portfolioansätze Break-even-Analyse Lizenzpreisbildung

Nutzwertanalyse Amortisationsrechnung Renditekennzahlen

Kosten-Nutzen-Vergleich TCO-Ansätze Transaktionskostenansatz

Unterstützende Bewertungsmethoden

Abbildung 2: Aufgaben, Entscheidungen und Methoden im Technologiemanagement13

11

(Europäische Kommission, 2013) S.4 12

(Schuh, et al., 2011) S.309 ff.

qualitativ

quantitativ

5

Die Entwicklungen im Bereich Elektromobilität und Ladeinfrastruktur, in den letzten Jahren, sind

durch ein hohes Tempo geprägt. Unterschiedliche Projekte lassen sich unterschiedlich in die vier

oben genannten Kategorien einordnen. Die Erstellung dieses Konzepts zur barrierefreien, länder-

übergreifenden Ladeinfrastruktur befindet sich zwischen der Technologiefrüherkennung und der

Technologieplanung und erfolgt daher mittels qualitativer Methoden (Vorbewertung von identifizier-

ten Technologien; Entscheidung über Beschaffungsquellen, Leistungsniveau und Einsatzzeitpunkt für

konkrete Technologien; Initiierung von Technologieprojekten). Diese Zuordnung deckt sich ebenfalls

mit der Einschätzung der Nationalen Plattform für Elektromobilität, die drei Entwicklungsphasen hin

zum Leitmarkt Elektromobilität zeitlich wie folgt unterscheidet:14

1. Marktvorbereitung bis 2014 mit Schwerpunkt auf Forschung und Entwicklung sowie Schau-

fensterprojekten

2. Markthochlauf bis 2017 mit Fokus auf den Marktaufbau bei Fahrzeugen und Infrastruktur

3. Beginnender Massenmarkt bis 2020 mit tragfähigen Geschäftsmodellen

Abbildung 3: Entwicklungsphasen des Leitmarkts15

Aufgabe der Technologiefrüherkennung und der Technologieplanung ist es, Voraussetzungen zu

schaffen, um Entscheidungen auf einer fundierten Informationsbasis treffen zu können. Es werden

Weiterentwicklungspotenziale, neue Technologien, Leistungsgrenzen bekannter Technologien oder

auch Substitutionsbeziehungen zwischen Technologien aufgezeigt.

Die strukturierte Aufarbeitung der in den folgenden Abschnitten dargestellten Informationen, mit

dem Ziel ein einheitliches Konzept für Ladeinfrastruktur in der Europäischen Union zu entwickeln,

erfolgt in mehreren Schritten und anhand der Kombination mehrerer methodischer Ansätze. Die

Abfolge der Schritte orientiert sich am „Decision-Analysis Process“ zur Problemstrukturierung

(Abbildung 4). Der erste Schritt zur Identifikation der Problemstellung wird durch die Analyse und die

Darstellung der Ist-Situation vorbereitet. Hieraus ergeben sich zum einen die Ziele, die durch ein Kon-

zept verfolgt und erfüllt werden, und zum anderen die Chancen und Risiken/Barrieren, die überwun-

den werden müssen (siehe dazu auch 4.1 und 4.2). Zur übersichtlichen Strukturierung der gesam-

melten Informationen wird die Methode des morphologischen Kastens gewählt (1.2.2 und 4.3).

Die Modelbildung bzw. Konzeptionierung geschieht durch die Methode der Nutzwertanalyse und des

Quality-Function-Deployments (1.2.3 und 4.4).

13

Nach (Schuh, et al., 2011) S.312 14

(Nationale Plattform Elektromobilität (NPE), 2011) S.5 15

Nach Ebd.

Marktvorbereitung Markthochlauf Massenmarkt

2014 2017 2020

6

Abbildung 4: Decision-Analysis-Process zur Problemstrukturierung16

1.2.2 Morphologischer Kasten

Problemstellungen mit einer gewissen Komplexität sollten grundsätzlich in Teilprobleme aufgespal-

ten werden. Dieses Vorgehen hilft, möglichst keine Lösungsmöglichkeit in ihrer Kombinationsmög-

lichkeit zu übersehen und den Überblick zu wahren. Der morphologische Kasten, als Methode der

systematischen Kombination, ermöglicht es, komplexe Systeme übersichtlich in Matrixform darzu-

stellen. Hierbei werden die Teilfunktionen in die Zeilen und die Lösungsansätze in die Spalten einge-

tragen. 17

Abbildung 5: Prinzip des morphologischen Kastens

16

Nach (Geldermann, 2008) S.5 17

(Steinschaden, 1998) S. 28 ff.

Identification of the problem /

issue

Problem structuring

Using the model to inform and

challenge think-ing

Model building

Developing an action plan

Goals

Uncertainties

Constraints

Alternatives

Stakeholders

Specifying alternatives

Defining

criteria

Eliciting

values

Challenging

intuition

Robustness analysis

Sensitivity analysis

Lösungskombination

7

Schon bei der Erstellung des morphologischen Kastens zeigt sich, ob Kombinationen überhaupt sinn-

voll oder nur in bestimmten Kombinationen möglich sind. Die Schnittstellen zwischen den Teilfunkti-

onen und die damit verbundenen Verträglichkeiten oder Voraussetzungen sind besonders zu be-

trachten. Daher ist es sinnvoll:

- die Reihenfolge der Teilfunktionen sinnvoll zu wählen

- Teilfunktionen nach Energie-, Stoff- oder Informationsfluss zu trennen

- Lösungen nach Parametern zu ordnen

- Lösungen durch Skizzen zu erläutern

- Lösungen durch wichtige Merkmale zu beschreiben

- nur Verträgliches zu kombinieren

- Nichtverträgliches deutlich zu kennzeichnen

Die Lösungsvielfalt kann im Anschluss durch Einschränkungen reduziert werden. Ungeeignet erschei-

nende Lösungen werden ausgeschieden, wobei andere hingegen bevorzugt werden. Diese Auswahl

ist jedoch oft subjektiv und nicht systematisch. Wichtig ist, dass eine frühzeitige Einschränkung nicht

den Verlust von wichtigen Wirkprinzipien mit sich bringt, die im Gesamtkontext relevant sind.

1.2.3 Nutzwertanalyse und Quality-Function-Deployment

Im Anschluss an das Aufstellen des morphologischen Kastens werden die Lösungsvarianten möglichst

kriterienorientiert bewertet. Eine Methode zur Bewertung sollte sowohl quantitative als auch quali-

tative Eigenschaften berücksichtigen und möglichst mit geringem Aufwand reproduzierbare, transpa-

rente Ergebnisse liefern. Hierzu eignet sich die Nutzwertanalyse.18 Die Kriterien zur Bewertung der

Lösungen leiten sich aus aufgestellten Zielen ab. Die Bewertung kann beispielsweise als Vergleich der

verschiedenen Varianten untereinander oder zu einer gedachten Ideallösung erfolgen. Die verschie-

denen Bewertungskriterien können unterschiedliche Bedeutungen haben. Hierfür werden Gewich-

tungsfaktoren eingesetzt (��). Diese Faktoren liegen bei der NWA zwischen 0 und 1 bzw. 0% und

100%, ihre Summe ergibt 1 bzw. 100%. So ergibt sich eine prozentuale Gewichtung der Teilziele. Im

Anschluss erfolgt die Bewertung durch die Vergabe von Punkten (0 bis 10 Punkte). Durch die Summa-

tion der Teilwerte �� erhält man den Gesamtwert �� einer Variante j.

Formel 1: Gesamtwert einer Variante in der NWA

��,� = ��

��

18

(Steinschaden, 1998) S.33 ff.

8

Hierdurch ergibt sich eine Rangfolge der Lösungsvarianten zur Entscheidungsfindung. Tabelle 2 zeigt

ein beliebiges Beispiel zur Verdeutlichung der Durchführung der NWA.

Tabelle 2: Beispiel für eine NWA-Matrix19

Investitionsvariante A Investitionsvariante B

Ziele Gewicht Wirkung (max. 10)

Wirkung Gewicht

Wirkung (max. 10)

Wirkung Gewicht

Produktivität 0,06 5 0,30 3 0,18

Typen-Flexibilität 0,16 9 1,44 10 1,60

Sortenwechselkosten 0,10 8 0,80 6 0,60

Mengen-Flexibilität 0,08 7 0,56 9 0,72

Entwicklungs-Flexibilität 0,08 6 0,48 8 0,64

Kurze Lieferzeiten 0,18 9 1,62 9 1,62

Qualitätssicherung 0,16 8 1,28 7 1,12

Lagerbestände 0,12 7 0,84 9 1,08

Imagewirkung 0,02 4 0,08 7 0,14

Arbeitsplatzattraktivität 0,04 5 0,20 8 0,32

7,60 8,02

Eine weitere Methode zur Bewertung ist das Quality-Function-Deployment (QFD) oder Merkmal-

Funktions-Darstellung. Diese Methode ist ursprünglich eine Methode zur Qualitätssicherung und

ermöglicht es, systematisch Kundenwünsche und technische Umsetzung zu verknüpfen (die Frage

nach dem WAS und dem WIE).20 Hierbei werden die Merkmale (Teilfunktionen) ebenfalls in Zeilen

aufgelistet und ihnen gegenüber die Funktionen (Lösungsvarianten) in Spalten dargestellt (Abbildung

6).

Analog zu dem Vorgehen in der NWA werden die “WIEs” hinsichtlich ihres Beitrags zur Zielerreichung

des „WAS“ bewertet. Allerdings erfolgt hier keine lineare Wertung. Zur Bewertung werden die Zahlen

0 (gar nicht), 1 (schwach), 3 (mittel), und 9 (stark) zugelassen. Im Unterschied zu einer arithmetischen

Skala von 0-10, in welcher die Aufwertung der Wichtigkeit gleichmäßig erfolgt, werden in dieser ge-

ometrischen Skala die positiven Wertungen deutlich hervorgehoben.

Wechselwirkungen einer Funktion mit mehreren Merkmalen werden in der Matrix mitberücksichtigt.

Die angrenzenden Matrizen (WARUM und WIEVIEL) ermöglichen es, Vergleiche mit Konkurrenzpro-

dukten oder technische Zielvorgaben einfließen zu lassen. Die erweiterte Matrix wird aufgrund ihrer

Form „House of Quality“ genannt. Die beiden Matrizen sind jedoch für eine reine Bewertung unter-

schiedlicher Lösungsansätze in der Technologiebewertung nicht zwingend notwendig. Durch die Auf-

summierung der Werte in den Spalten, ergibt sich eine Rangfolge der Wichtigkeit der Funktionen zur

Gesamtzielerreichung.

19

Nach (wirtschaftslexikon24.com) 20

(Prasad, 1998) S.222 ff.

9

WIE

j = 1

j = m

WARUM

WA

S

i = 1 Beziehungen 0 = gar nicht

1 = schwach

3 = mittel

9 = stark

k =

1

4

k =

p

5

2

1

6

i = n 7

WIE

VIE

L

l=1

57 72 11 24 36

Abbildung 6: Quality Function Deployment (QFD) und Expanded House of Quality (EHOQ)21

21

Nach (Prasad, 1998) S.224

Qualitätsmerkmale

Kundenanforderungen

Sensitivitäten

Aktuelle Marktsituation

(Nutzergruppen, Konkur-

renten)

Technische Informationen Wertung, Wichtigkeit

Zielwerte

2 Begriffsumfeld Lade

In den folgenden Kapiteln wird da

und eine Diskussionsgrundlage zu

werden kann. Dabei werden folge

Welche Typen von Fahrzeugen

Wie kann Zugang und Abrechnung

ist das System Ladeinfrastruktur te

Ein besonderer Blick wird auf den

und Interessengruppen der Ladein

2.1 Elektrofahrzeuge

Elektromobilität ist ein weitreiche

gebot aller Verkehrsmittel, die ele

Abbildun

Im Rahmen dieser Arbeit wird da

betrachtet und hierbei insbesond

22

Nach (Bertram, et al., 2014) S.8

Straße

Personenverkehr

Elektrofahrzeug

Hybridfahrzeug

Elektrozweiräder

Pedelec

Elektrorollstuhl

Güterverkehr

Elektrolastkraftwagen

Elektro-transporter

Gleislose ElektFlurfördermitt

einfrastruktur

das Begriffsfeld „Ladeinfrastruktur“ erläutert, um

e zu schaffen, auf deren Basis eine Technologiebewe

olgende Punkte beschrieben:

n gibt es? Auf welche Art und Weise können dies

nung realisiert werden? Welche Systeme sind ökono

ur technisch-wirtschaftlich aufgebaut?

den aktuellen Stand der Normung und das Zusamm

deinfrastruktur gelegt.

ichendes Themenfeld. Abbildung 7 zeigt einen Übe

elektrifiziert werden können.

ldung 7: Elektrisch angetriebene Verkehrsmittel22

dabei der Bereich des elektrischen Personenverke

sondere der Bereich der elektrisch angetriebenen P

Elektromobilität

last-gen

rter

lektro-mittel

Schiene

Personenverkehr

Elektro-lokomotive

Straßenbahn

U-Bahn

Oberleitungsbus

Güterverkehr

Elektro-lokomotive

Gleisgebundene Elektro-

Flurfördermittel

Elektrische Förderanlagen

Luft

Elektroflugzeug

Solarflugzeug

10

um dieses zu verstehen

ewertung durchgeführt

diese geladen werden?

onomisch sinnvoll? Wie

mmenspiel der Akteure

Überblick über das An-

erkehrs auf der Straße

en PKW. Diese können

zeug

eug

Wasser

Elektrofähre

Elektro-U-Boot

Elektro-Jet-Ski

11

entsprechend ihres Grades an Elektrifizierung in mehre Kategorien eingeteilt werden. Es wird zwi-

schen Fahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschinen, Hybrid-Fahrzeugen, Plug-In-Hybridfahrzeugen,

Fahrzeugen mit Reichweitenverlängerung, batteriebetriebenen und Brennstoffzellenfahrzeugen un-

terschieden (Tabelle 3).

Verbrennungskraftmotor (Internal Combustion Vehicle, ICV)

Die klassische Verbrennungskraftmaschine (Otto- oder Diesel-Prozess) liefert die Energie, die über

ein Getriebe an den Antrieb weiter geleitet wird. Die Batterie des Fahrzeuges wird über die Lichtma-

schine mit Strom geladen. Sie versorgt den Anlasser und die Bordelektronik, nicht aber den Antrieb.

Hybrid-Fahrzeug23

Das Konzept von Hybridfahrzeugen ermöglicht es, die Effizienz von konventionellen Antrieben, gera-

de im Teillastbetrieb, zu steigern und Bremsenergie zurückzugewinnen. Es existieren verschiedene

Hybridfahrzeugtypen, je nach Größe des elektrischen Speichers. Man unterscheidet zwischen Mikro-,

Mild- und Voll-Hybriden. Der Grad der Elektrifizierung reicht von der Unterstützung durch Start-

Stopp-Automatik, Rekuperation und Beschleunigungsunterstützung, bis hin zu kurzen Strecken voll-

elektrischen Fahrens. Das Fahrzeug wird allerdings ausschließlich mit konventionellen Kraftstoffen

betankt.

Plug-In-Hybrid-Fahrzeug (Plug-In Hybrid Electric Vehicle, PHEV)23

Plug-in-Hybrid-Fahrzeuge besitzen einen größeren elektrischen Speicher gegenüber den normalen

Hybridfahrzeugen. Darüber hinaus können sie über eine Steckerverbindung am Stromnetz geladen

werden und haben eine höhere vollelektrische Reichweite (ca. 50 km).

Fahrzeug mit Reichweitenverlängerung (Range Extended Electric Vehicle, REEV)24

Der Schwerpunkt bei einem REEV liegt auf dem elektrischen Antrieb. Der zusätzliche Verbrennungs-

motor dient lediglich zur Erweiterung der elektrischen Reichweite. Bei entladener Batterie erzeugt

der zusätzliche Verbrennungsmotor über einen Generator den Strom für den Antrieb oder kann zu-

sätzlich die Batterie laden. Der Verbrennungsmotor ist dabei nicht direkt mit dem Antriebsstrang des

Fahrzeugs verbunden. Bei diesem Konzept arbeitet der Motor größtenteils in seinem optimalen

Drehzahlbereich, wodurch eine Effizienzsteigerung erreicht wird.

Batteriebetriebenes Fahrzeug (Batterie Electric Vehicle, BEV) 23

Batteriebetriebene Fahrzeuge ziehen die Energie allein aus dem elektrischen Speicher und werden

über das Stromnetz geladen. Die Reichweite wird durch die Speicherkapazität bestimmt. Im Schnitt

verbraucht ein BEV ca. 23 kWh auf 100 km. Wobei die Reichweite stark von der Fahrweise und den

Witterungen abhängt. Hierbei ist zu beachten, dass alle Verbraucher im Auto (Lüftung, Klimaanlage,

etc.) ebenfalls durch die Batterie mit Energie versorgt werden.

23

(Jochem, et al., 2012) S.128 ff. 24

(Kaiser, et al., 2011) S.29 f.

12

Brennstoffzellen Fahrzeug (Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)

Auch Brennstoffzellenfahrzeuge nutzen einen elektrischen Antrieb. Jedoch kommt die elektrische

Energie nicht aus einer Batterie, sondern wird durch die kontrollierte Reaktion zwischen Sauerstoff

und Wasserstoff (auch Kohlen-Wasserstoff-Verbindungen sind möglich bspw. Methan, Methanol) in

elektrische Energie umgewandelt. Eine Batterie dient hier nur als Zwischenspeicher, da die Brenn-

stoffzelle nicht mit variabler, sondern im Idealfall mit konstanter Leistungsabgabe betrieben wird.

Tabelle 3 fasst die aufgezeigten Fahrzeugtypen nach Elektrifizierungsgrad zusammen. Für die Be-

trachtung der Ladeinfrastruktur sind die Fahrzeugtypen PHEV, REEV, BEV interessant, da diese über

entsprechende Verbindungen (kabelgebunden, kabellos) an das Stromnetz angeschlossen werden.

Tabelle 3: Einteilung der Fahrzeuge nach Elektrifizierungsgrad25

ICV

Hybrid

(mikro, mild, voll)

PHEV

REEV

BEV

FCEV

Diesel- und Ot-

tomotoren wer-

den auch in Zu-

kunft weiter

optimiert. Ihr

Effizienzpotential

ist noch nicht

ausgeschöpft.

In Hybridfahrzeu-

gen kommen

Elektro- und

Verbrennungs-

motor zum Ein-

satz. Eine Batterie

wird beim Fahren

über den Motor

aufgeladen. Sie

dient auch der

Speicherung von

Bremsenergie.

Der Stromspei-

cher in Plug-In-

Hybriden kann

zusätzlich über

das Stromnetz

aufgeladen wer-

den. Wie beim

Hybrid dient die

Batterie als Spei-

cher von Brems-

energie.

Bei Bedarf er-

zeugt z.B. ein

Verbrennungs-

motor mittels

eines Generators

Strom für den

Elektromotor. Die

Reichweite wird

somit deutlich

verlängert.

Die Energie für

den Antrieb

kommt aus-

schließlich aus

der Batterie.

Diese wird über

das Stromnetz

aufgeladen.

Die Stromerzeu-

gung für den

Motor geschieht

direkt an Bord. In

der Brennstoffzel-

le wird die chemi-

sche Energie von

Wasserstoff in

elektrische Ener-

gie umgewandelt.

25

Nach (VDA, 2011) S.8

13

2.2 Ladearten

Die verschiedenen Ladearten differenzieren sich nach der Leistung, mit der geladen werden kann.

Diese ergibt sich aus der Kombination aus Spannung und zulässiger Stromstärke am Anschlusspunkt

(Tabelle 5). Beispielsweise kann in Deutschland auf die Spannungsstufen 230 V (1-phasig AC) und 400

V (3-phasig AC) zurückgegriffen werden. In Gebäuden ist die Absicherung auf 16 A oder 32 A be-

grenzt. Hier ergeben sich also die Leistungsstufen 3,7 kW, 11 kW und 22 kW. Leitungen zum Hausan-

schluss können bis zu 63 A liefern. Hier kann mit einer Leistung bis 44 kW geladen werden. Gleich-

stromladen kann mit einer Spannung von 450 V und Stromstärken zwischen 32 A und bis zu 100 A

realisiert werden. Es ergeben sich daraus Ladeleistungen bis 45 kW. Weitere Entwicklungen der DC-

Schnellladung sollen bis 60 kW ermöglichen.

Das Laden von Elektrofahrzeugen kann auf unterschiedliche Weise geschehen. Klassifikationen des

Ladens existieren hinsichtlich des Ladeortes und der technischen Konfiguration26:

1. Normalladen im privaten Raum

2. Normalladen im halb öffentlichen Raum: Gewerbliche und öffentlich zugängliche Bereiche

wie Firmengelände, Kundenparkplätze, etc.

3. Normalladen im öffentlichen Raum: Ladepunkte im rein öffentlichen Raum; Straßenrand, In-

nerorts

4. Schnellladen: Schnellladestationen an öffentlich zugänglichen und viel befahrenen Orten mit

höherer Leistung als beim Normalladen

In der technischen Konfiguration ist sowohl Wechsel- (AC) also auch Gleichstromladen (DC) in ver-

schiedenen Leistungsklassen möglich. Im Folgenden werden die vier Lade-Modi nach IEC 61851 auf-

geführt.27

Mode 1

Mode 1 beschreibt die Technik den elektrischen Speicher an Schutzkontakt-

steckdosen aufzuladen. Hierbei wird lediglich die elektrische Verbindung

zwischen Batterie und Stromnetz hergestellt und ohne Kommunikation oder

Überwachung geladen. Die maximal übertragbare Leistung bestimmt dabei

die Spannung und Stromstärke an der Steckdose. Zur Sicherheit vor Fehler-

strömen sollte der Anschluss mit einem Fehlerstromschutzschalter (Residual

Current Device RCD, FI-Schalter) ausgerüstet sein. Es wird kein Pilotkontakt

zur Überwachung des Ladevorgangs benutzt.

26

(AG3 Ladeinfrastruktur und Netzintegration der Nationalen Plattform Elektromobilität (NPE), 2012) S.1 27

(AG4 Normung, Standardisierung und Zertifizierung der Nationalen Plattform Elektromobilität (NPE), 2013)

Abbildung 8: Schema Mode 1

27

14

Mode 2

Mode 2 ergänzt Mode 1 um eine, in das Ladekabel integrierte Steuer- und

Schutzeinrichtung (IC-CPD). Der Ladevorgang wird über ein Pilotsignal über-

wacht und ist damit vor Fehlerströmen, zum Beispiel durch Isolationsfehler

etc. geschützt.

Mode 3

Mode 3 beschreibt das Laden mit einer speziell für das Laden von Elektro-

fahrzeugen vorgesehenen (zweckgebundenen) Steckdose. Beispiele dafür

sind Ladesäulen oder sogenannte Wallboxen. Das Ladekabel kann hierbei

auch fest an der Ladestation oder Wallbox angeschlossen sein. Durch die

zweckgebundene Auslegung der Systeme auf die Ladung von E-Fahrzeugen

ist ein hohes Maß an elektrischer Sicherheit, bspw. gegen Überlastung, ge-

geben.

Mode 4

Alle vorher genannten Ladebetriebsarten beziehen sich auf Laden mit

Wechselstrom. Mode 4 beschreibt das Laden mittels Gleichstrom. Zum La-

den der Batterie muss der Wechselstrom aus dem Netz im Fahrzeug in

Gleichstrom umgewandelt werden. Es liegt nahe die Gleichrichtung außer-

halb des Fahrzeuges vorzunehmen. Weiter erlaubt das Laden mit Gleich-

strom höhere Leistungen und damit kürzere Ladezeiten als bei Wechsel-

strom.

Abbildung 9: Schema

Mode 227

Abbildung 10: Schema

Mode 327

Abbildung 11: Schema Mode 4

27

15

Induktives Laden

Das induktive Laden erfolgt ohne direkten Kontakt zwischen Fahrzeug und

Stromnetz. Die Energieübertragung erfolgt durch Induktion mittels zweier

Spulen, im Auto und auf Ladeseite, beispielsweise im Boden unter dem

Fahrzeug (resonanten Induktionsladung).

Diese Technik befindet sich im Moment jedoch noch in der Phase von For-

schungsprojekten und ist im Vergleich zu der einfacheren Ladung über Kabel

weniger ausgereift. Trotz dieses aktuell vorhandenen Defizits gegenüber

den konduktiven Ladesystemen ist das induktive Laden ein wichtiges Thema

für die Zukunft. Durch die kontaktlose Energieübertragung kann zum einen

der Bedienkomfort erhöht werden, zum anderen werden dadurch auch viele

kleinere Zwischenladungen eine denkbare Alternative zu den längeren Ladestopps beim kabelgebun-

denen Laden. Viele aktuelle Forschungsprojekte und Praxiserprobungen zeigen, dass an diesem

Thema intensiv gearbeitet wird. Buslinien mit induktiven Ladestationen an Haltestellen werden er-

probt, größere stationäre Fahrzeugflotten, z.B. an Flughäfen werden elektrifiziert und mit induktiven

Ladestationen geladen. Einige Beispiele für laufende Projekte sind:

In New York werden Induktionsspulen in Kanaldeckeln auf Parkflächen am Straßenrand erprobt.28

Toyota arbeitet an einem kabellosen Heimladesystem für das Modell Prius und erprobt dieses seit

Februar 2014 im Praxistest. Das System überträgt 2 kW bei 85 kHz. Ein intelligenter Parkassistent hilft

bei der Positionierung.29

Die Firma Karabag (Hamburg) hat eine induktive Ladesäule entwickelt, bei welcher der Spulenkontakt

über die Front des Autos erfolgt. Die Spule ist fahrzeugseitig hinter dem vorderen Nummernschild

platziert. Die Ladesäule wurde bereits in einem Praxistest in Kooperation mit Airbus getestet und hat

laut Hersteller Serienreife. Die Kosten liegen bei ca. 5.000€.30

Die BRUSA AG hat ein –laut Herstellerangabe– seriennahes System entwickelt, dass mit einer ver-

doppelten Leistung von 7,2 kW laden kann.31 Auch die Kooperation zwischen zwei großen Automobil-

zulieferern und Elektrotechnikunternehmen (Hella und Vahle) zeigt, dass das Thema induktives Laden

bei Herstellern angekommen ist.32 BMW und Daimler haben sich ebenfalls auf die gemeinsame Ent-

wicklung und den Einsatz einer einheitlichen Technik zum induktiven Laden geeinigt. Diese soll zu-

nächst mit einer Leistung von 3,6 kW betrieben und in Zukunft auf 7 kW gesteigert werden.33

28

(Wood, 2014) 29

(Toyota Deutschland, 2014) 30

(Jauernig, 2014) 31

(BRUSA Elektronik AG, 2014) 32

(Green Car Congress, 2014) 33

(Springer, 2014)

Abbildung 12: Schema

induktiv27

16

Batteriewechsel

Ein weiteres Konzept zum Laden von E-Fahrzeugen ist der Batterieaustausch. Vorteil der Methode ist

die theoretisch sehr kurze „Tankzeit“. Nachteil der Technologie ist ein sehr hoher Bedarf an Batte-

rien pro Fahrzeug. Dieser kann zwischen 30% und 100% pro Fahrzeug höher sein als bei fest instal-

lierter Batterie. Gerade in Spitzenzeiten wie Ferien wird eine große Infrastruktur benötigt.34 Durch

die Weiterentwicklung der Schnellladesysteme, und die Aussicht auf weitere Verbesserungen der

anderen Ladetechnologien, ist das Konzept des Batterietauschs in den Hintergrund gerückt. Ein pro-

minentes Beispiel hierfür ist das Unternehmen „Better Place“, das in Kooperation mit Renault ein

System entwickelte, um Batterien einfach auszutauschen. Im Mai 2013 musste das Unternehmen

Insolvenz anmelden.35

Tabelle 4 und Tabelle 5 fassen noch einmal die wichtigsten Ladearten und Leistungskombinationen

zusammen.

Tabelle 4: Ladearten36

Bezeichnung Strom Beschreibung

Mode 1 AC - Schutzkontaktsteckdose (Haushaltssteckdose)

- Keine Kommunikation

Mode 2 AC - Zusätzliche Steuer- und Schutzeinrichtung in Ladekabel integriert

- Pilotsignal zur Überwachung

Mode 3 AC - Laden an zweckgebundenen Steckdosen

- Datenaustausch zwischen Station und Fahrzeug

Mode 4 DC - Laden an zweckgebundenen Steckdosen

- Höhere Leistungen durch Gleichstrom

Induktives

Laden AC

- Kontaktloses Laden mittels Induktion

Tabelle 5: Übersicht über Ladeleistung37

Privat (AC) Öffentlich (AC) Induktiv DC-Laden Schnellladen

Spannung [V]

(Phasen)

230

(1)

400

(3)

400

(3)

230

(1)

400

(3)

400

(3)

400

(3)

230

(1)

400

(3)

400

(3) - 450 < 450 400

Stromstärke [A] 16 16 32 16 16 32 63 16 16 32 - 32 < 100 150

Leistung [kW] 3,7 11 22 3,7 11 22 44 3,7 11 22 60 < 20 < 50 60

34

(Waffenschmidt, 2013) 35

(Focus, 2013) 36


S.18 ff. 37

(Nationale Plattform Elektromobilität (NPE), 2010) S.25

2.3 Steckertypen und Aufb

Zurzeit existieren mehrere Konzep

sicht über die existierenden Stec

sind in der internationalen Norm I

In (Slowak, 2012) werden die En

stellt, in dem verschiedene Inter

2013 haben sich die Europäische

des Stecker Typ-2 für AC-Laden u

ausgesprochen. Die Stecker best

drei-phasigem Wechselstrom (Lei

dung (Plus- und Minuspol). Zusät

des Ladevorgangs. Der Control P

Ladestation zu übermitteln. Der

steckt ist, bevor eine Leistung üb

den, um ein Ausziehen des Stecke

Abbildung

In Abbildung 14 sind die verschie

rofahrzeug dargestellt.

38

Nach (Waffenschmidt, 2013)

Wechselstrom

(AC)

Typ-1

1-phasig

bis 70 A

Typ-2

1-phasig

bis 70 A

bis 16 A

3-phas

bis

Aufbau der Ladesäule

nzepte für die Verwendung von Steckern. Abbildung

Steckertypen zum Laden von Elektrofahrzeugen. Di

rm IEC 62196 festgehalten.

Entwicklungen der letzten Jahre als regelrechter

nteressengruppen versuchen, ihre Vorschläge durc

sche Kommission und das Europäische Parlament f

en und des Combo-2 Steckers für DC-Laden in der E

bestehen aus fünf Kontakten für die Energieübertr

(Leiter 1-3, Neutralleiter, Erde) oder zwei Polen für

usätzlich enthält der Stecker zwei weitere Kontakte

ol Pilot-Kontakt (CP) dient dazu, Steuersignale zwis

er Proximity-Pilot (PP) dient zum Überprüfen, ob

g übertragen wird. Weiter kann der Stecker über St

eckers aus der Ladestation unter Last zu verhindern.

ung 13: Steckertypen zum Laden von Elektroautos38

chiedenen Steckertypen und die entsprechende Ver

Kabelgebundenes Laden

phasig

bis 63 A

Typ-3

1-phasig

bis 32 A

bis 16 A

3-phasig

bis 32 A

bis 16 A

Gleichs

(DC

Typ-2

bis 50 kW

ComStec

17

ung 13 zeigt eine Über-

Die Steckertypen 1-3

ter Systemkrieg darge-

durchzusetzen. Im Jahr

nt für die Verwendung

er Europäischen Union

bertragung mit ein- bis

n für die Gleichstromla-

takte zur Überwachung

zwischen Fahrzeug und

, ob der Stecker einge-

er Stifte verriegelt wer-

ern.

Verschaltung im Elekt-

eichstrom

(DC)

Combo Stecker

>50 kW

Chademo

>50 kW

18

Abbildung 14: Steckertypen und Verschaltung (CP=Control Pilot, PP=Proximity Pilot, PE=Erde, N=Neutralleiter, L=Außenleiter)

39

An die Ladesäule werden verschiedene Anforderungen an Funktion, Bedienung und Sicherheit ge-

stellt. Technisch realisiert werden die Funktionen durch einen modularen Aufbau der elektrischen

Komponenten wie in Schaltschränken. Das Blockschaltbild einer Ladesäule in Abbildung 15 zeigt,

welche Bauteile eine Ladestation enthält und in welcher Reihenfolge diese verschaltet sind.

Abbildung 15: Elektrische Komponenten der Ladeinfrastruktur40

39


S.38

Typ 3

Chademo

19

2.4 Authentifizierungs- und Abrechnungsarten

Gerade im öffentlichen und halböffentlichen Raum müssen Ladeeinrichtungen gegen Missbrauch

oder unbefugten Zugang geschützt werden. Im folgenden Kapitel werden Möglichkeiten zur Freigabe

der Ladestation sowie die Möglichkeiten der Abrechnung des Ladevorgangs aufgezeigt.

Automatische Authentifizierung

Hierbei findet über das Ladekabel eine Kommunikation zwischen Ladestation und Fahrzeug statt, z.B.

über Powerline Communication (PLC). Die Authentifizierung, Verriegelung und das Starten des Lade-

vorgangs erfolgen automatisch. Jedes Fahrzeug, bzw. jeder Nutzer und jede Ladestation erhalten

dafür eine eigene Identifikationsnummer. Das Prinzip ist auch unter dem Begriff Plug&Charge be-

kannt.

Schlüsselsysteme

Eine einfache Freischaltung mit gleichzeitiger Freigabe des Ladevorgangs kann über Schlüsselsysteme

geschehen. Hier kommen verschiedene Technologien zum Einsatz, z.B. Near Field Communication

(NFC), Radio Frequency Identification (RFID), Parkschein, Smart Card, analoge Schlüssel oder ein PIN-

Code. Durch das Schlüsselsystem wird eine Sperre der Ladestation aufgehoben. Dieser Schutz kann

eine Barriere sein, die physikalisch geöffnet wird (Klappe, Deckel) oder es kann eine elektronische

Freischaltung der Ladesäule erfolgen.

Telefonhotline und webbasierte Freischaltung

Ladesäulen können auch per Telefonauftrag oder über das Internet freigeschaltet werden. Kunden

und Ladepunkt müssen dabei ebenfalls eine eindeutige Identifikationsnummer besitzen. Mit einem

Passwort kann der Kunde sich authentifizieren und es erfolgt eine Fernfreischaltung des Ladepunk-

tes. Der Ladevorgang wird daraufhin automatisch gestartet. Die Freischaltung kann auch per SMS

oder über eine Smartphone App realisiert werden. Im Fall einer App können auch weitere Hilfsmittel,

wie die Auswahl der Ladesäule über Navigationskarten, realisiert werden.

Im Folgenden werden die technischen Möglichkeiten der Abrechnung dargestellt:

Vertrag

Im privaten Raum wird die Ladung des Elektrofahrzeugs vor allem über Stromlieferverträge des

Haushaltsstroms geregelt. Verträge können aber auch für das Laden an öffentlichen Ladestationen

abgeschlossen werden. Eine Abrechnung erfolgt dann monatlich, ähnlich wie bei Mobilfunkverträ-

gen.

40


S.44

20

Direktbezahlung

Für Ladesäulen im öffentlichen und halböffentlichen Raum kann es hilfreich sein, den Ladevorgang

direkt vor oder unmittelbar nach dem Ladevorgang abzurechnen. Hierbei stehen mehrere Möglich-

keiten zu Verfügung. Je nach Geschäftsmodell kann die Abrechnung der verbrauchten Energie (Be-

zahlung pro kWh) oder die Bezahlung einer sekundären Leistung wie beispielsweise die Parkdauer

(Bezahlung pro Ladevorgang; Bezahlung pro Stunde) in Frage kommen. Dabei können auch Pauscha-

len zur Abrechnung benutzt werden. Für die Direktbezahlung kann auch Micro Payment eingesetzt

werden. Hierbei werden geringe Geldbeträge bargeldlos (z.B. Giro-Karte) oder über NFC (Near Field

Communication) bezahlt.

Mobile Payment

Die Abrechnung von Ladevorgängen kann ebenfalls über Smartphones oder Mobilfunktarife erfolgen.

Hierbei wird das Laden per SMS oder App initiiert und die Bezahlung erfolgt über den Mobilfunkan-

bieter. Stromanbieter und Mobilfunkanbieter wickeln das Geschäft dabei unter sich ab. Auch Kombi-

nationen aus Quick Response-Code (QR-Code) und Mobile Payment sind denkbar, wie zum Beispiel

das Prinzip von enjoyQR.41 Der QR-Code, der z.B. Informationen über die Ladestation enthält, kann

dabei mit dem Smartphone gescannt und eine Freischaltung und Abrechnung automatisch initiiert

werden.

2.4.1 Roaming in der Elektromobilität

Entsprechend dem Roaming bei Mobiltelefonen kann auch ein E-Roaming bei Elektrofahrzeugen

erfolgen. Einem Kunden, der einen Vertrag mit einem Anbieter abgeschlossen hat, ermöglicht das

Roaming die Leistungen dieses Vertrages an jeder beliebigen Ladestation beziehen zu können, ohne

einen weiteren Vertrag mit dem lokalen Anbieter abschließen zu müssen. Das E-Roaming basiert auf

bilateralen oder multilateralen Vereinbarungen zwischen verschiedenen Anbietern und kann sowohl

von der Seite des Ladestationsbetreibers, als auch des Elektromobilitätsanbieters definiert werden.42

Gerade wenn – wie häufig – Stromlieferant, Ladestationsbetreiber und Elektromobilitätsanbieter

nicht zusammenfallen, ist die Klärung und Abrechnung erforderlich.43 Über eine zentrale Stelle (Clea-

ring Stelle) wird die Validierung des Austausches von technischen Informationen, Vertragsdaten und

Sicherheitszertifikaten zwischen den Partnern bereitgestellt.

Die EURELECTRIC (Union der europäischen Elektrizitätsindustrie) unterscheidet zwei Arten von E-

Roaming:44

41

(SMF KG, 2014) 42

(CEN, CENELEC, 2011) S.56 43

(Kley, 2011) S.27 44

(Eurelectric, 2013) S.14

21

1. Roaming der Ladedienstleistung

Hierbei ist es dem Nutzer durch Verträge zwischen seinem Mobilitätsanbieter und dem Ladepunktbe-

treiber möglich, Ladestationen eines fremden Anbieters zu benutzen. Der Stromlieferant wird dabei

von dem Ladepunktbetreiber ausgewählt, welcher die Ladedienstleistung inklusive des Stroms an

den Mobilitätsanbieter des Nutzers verkauft. Dies bedeutet, dass der Stromanbieter am Ladepunkt

für den Kunden fix ist. Der Mobilitätsanbieter leitet die Kosten gebündelt an den Nutzer weiter

(Strom- und Infrastrukturabgabe).

2. Roaming von Elektrizität und Service

Hier hat der Kunde ebenfalls durch Vertragsabschlüsse zwischen seinem Mobilitätsanbieter und dem

Ladepunktbetreiber die Möglichkeit, an fremden Ladestationen Strom zu beziehen. Der Strom und

dessen Lieferant werden allerdings vom Mobilitätsanbieter ausgewählt. In diesem Falle ist der

Strompreis nicht Teil der Abrechnung zwischen Mobilitätsanbieter und Ladeinfrastrukturbetreiber. Es

wird lediglich eine Abgabe für die Benutzung der Ladestation berechnet. Der Strom wird dann zwi-

schen Mobilitätsanbieter und Nutzer in deren bestehendem Vertrag abgerechnet. In diesem Ansatz

ist der Ladepunktbetreiber ein neutraler Marktakteur und für die Weiterleitung der Daten zuständig.

Aus diesen zwei Unterscheidungen lassen sich, die in Abbildung 16 dargestellten, Fallbeispiele ablei-

ten (größere Darstellung siehe A7: E-Roaming Schemata). Im einfachsten Fall sind Energieversor-

gungsunternehmen (EVU), Netzbetreiber und Ladestationsbetreiber in einer Hand. Dies ist zum Bei-

spiel oft in kleineren Kommunen der Fall. Hierbei können Menge, Preis und zughörige Nutzer-ID über

den Backendserver mit dem Mobilitätsanbieter ausgetauscht werden. Der Mobilitätsanbieter, bei

dem es sich gegebenenfalls auch um dasselbe Unternehmen handelt, hat einen Vertrag mit dem

Nutzer und stellt ihm die Rechnung.

Im zweiten Fall sind nur Mobilitätsanbieter und EVU in einer Hand und legen den Preis des verkauf-

ten Stroms fest. Der Kunde lädt allerdings bei einem fremden Ladestationsbetreiber, sodass hierfür

eine Nutzungsgebühr anfällt. Die gemessene Strommenge wird in Kombination mit der Nutzer-ID

über den Netzbetreiber an den Mobilitätsanbieter weitergegeben. Dieser ordnet die ID seinem Kun-

den zu und stellt die Rechnung. Die Nutzung der verschiedenen Infrastrukturen von Mobilitätsanbie-

ter, Ladepunktbetreiber und Netzbetreiber werden vertraglich geregelt. Fall 3 beschreibt das Szena-

rio aus Fall 2 wenn EVU und Netzbetreiber in einer Hand liegen.

In Fall 4 sind alle Akteure eigenständig. Hier hat der Kunde zusätzlich die Möglichkeit an fremden

Ladestationen auch den Stromlieferanten frei wählen zu können. Die Strommenge und der Preis

werden der Nutzer-ID anonymisiert zugeordnet und jeweils unter den Akteuren ausgetauscht und

weitergegeben. Über das Clearing des Mobilitätsanbieters werden die Kosten dem Nutzer wieder

zugeordnet.

22

Abbildung 16: Fallunterscheidung E-Roaming

Für das Roaming sind einheitliche Identifikatoren (IDs) notwendig. In Deutschland hat der Bundes-

verband der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW) vom Bundesministerium für Wirtschaft und

Energie den Auftrag zugeteilt bekommen, als zentrale Vergabestelle E-Mobility-IDs für deutsche

Elektromobilitätsanbieter und Infrastrukturbetreiber zu vergeben.45 Diese IDs werden sowohl für die

Ladestations- (Electric Vehicle Supply Equipment ID - EVSEID) als auch für die Kundenidentifizierung

(e-Mobility Account Identifier - EMAID) vergeben. Die EVSEID und EMAID sind unabhängig von ihrer

Nutzung spezifiziert und können damit auf verschiedene Weisen eingesetzt werden. Zum Beispiel

kann die Provider-ID für die Authentifizierung von Elektromobilitätskunden über RFID-Karten, Tele-

fon und Webanwendungen oder nach ISO 15118 aus dem Fahrzeug heraus zum Einsatz kommen.46

Durch die Aufnahme dieses ID-Systems in die ISO 15118 ist die Vergabe der IDs international einheit-

lich.

45

(bdew-emobility.de) 46

(BDEW, 2014)

23

2.5 Dienstleistungen und Geschäftsmodelle im Zusammenhang mit Lade-

infrastruktur

Folgende Prozesse werden für die Abwicklung des Ladevorgangs benötigt und ermöglichen Dienst-

leistungen anzubieten und Geschäftsmodelle zu entwickeln.47

Benutzerregistrierung

Nach Abschluss eines Dienstleistungsvertrags zwischen Nutzer und Ladeserviceanbieter erhält der

Nutzer eine persönliche Identifikation zur Authentifizierung, welche in einem zentralen Register hin-

terlegt ist. Werden die Informationen in einem einheitlichen Format festgehalten, ist es möglich, die

Informationen problemlos zwischen Anbietern zu tauschen, um Leistungen auch an anbieterfremden

Ladestationen zu beziehen.

Benutzerauthentifizierung / Benutzerautorisierung

Die Authentifizierung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen (siehe Abschnitt 2.4). Gemein ist

Allen, dass Informationen in einer sogenannten Whitelist zum Abgleich zur Verfügung stehen müs-

sen. Die Authentifizierung dient im eigentlichen Sinne nur zum Nachweis über den Besitz bestimmter

Rechte und einer eindeutigen Identifizierung. Die anschließende Autorisierung ist der technische

Vorgang, welcher den Nutzer bestimmte Aktionen durchführen lässt (z.B. das Laden des Elektroau-

tos). Authentifizierung und Autorisierung hängen direkt voneinander ab.

Ladevorgang

Nach der Authentifizierung und Autorisierung wird der Ladevorgang gestartet. Für die Verbindung

zwischen Fahrzeug und Infrastruktur sollte ein bestimmtes Zeitfenster zur Verfügung gestellt werden,

nach dem die Authentifizierung aufgehoben wird, um Missbrauch zu verhindern. Der Ladevorgang

wird überwacht und beendet, sobald die Batterie geladen ist oder der Benutzer den Ladevorgang

beendet. Die überwachten und gemessenen Daten werden an das Back-End-System der Ladesäule

übertragen.

Messen

Elektrizitätszähler sind, wie auch Haushaltszähler, an jedem Anschlusspunkt installiert. Grundsätzlich

lassen sich zwei Anbindungsvarianten unterscheiden: direkte und indirekte Anbindung.48 Die beiden

Varianten unterscheiden sich im Ort des abrechnungsrelevanten Zählers (Abbildung 17). Dieser kann

sich entweder in der Ladestation (indirekt) oder im Fahrzeug (direkt) befinden. Im letzteren Fall

kommuniziert das Fahrzeug direkt mit der Abrechnungsstelle.

47

(Brand, 2013) S.34 ff. 48

(Link, 2011) S.36

24

Abbildung 17: Indirekte und direkte Zähleranbindung48

Clearing und Ausgleich (finanziell)

Erfolgt die Abrechnung nicht direkt zwischen dem Kunden und seinem Ladestromanbieter, beispiels-

weise wenn der Ladevorgang an der Infrastruktur eines fremden Anbieters erfolgt, wird eine Klärung

des Vorgangs benötigt. Zurzeit wird dieses sogenannte Clearing hauptsächlich zwischen Ladepunkt-

betreiber und Ladedienstleister betrieben, soweit diese nicht dieselben sind. Hier werden die Mess-

daten des Ladevorgangs ausgetauscht, auf deren Basis die Abrechnung stattfindet. Benötigt wird

dazu eine gemeinsame Datenplattform, wie beispielsweise das European Clearing House System

(eCHS von e-clearing.eu). Die Abrechnung wird dabei nach Ablauf des Monats vollzogen.

Ausgleich (elektrische Leistung)

Auf Grund der Struktur des Energieversorgungssystems müssen Angebot und Nachfrage (Erzeugung

und Verbrauch) des Stroms stets im Gleichgewicht sein. Regelgröße ist hierbei die Netzfrequenz.

Mittels Abschätzungen durch die Marktteilnehmer wird der Verbrauch vorhergesagt. Abweichung

von den Vorhersagen müssen durch Regelenergie nachgekauft werden.

Netzintegration - Smart Charging

Auf Grund der Auswirkungen von Elektrofahrzeugen und deren Ladung auf das Elektrizitätsnetz so-

wie dem Zusammenspiel des Ladevorgangs und den fluktuierend auftretenden erneuerbaren Ener-

gien ist es sinnvoll, den Ladevorgang intelligent zu steuern. Zu erwarten sind Netzbelastungen vor

allem auf der Verteilnetzebene.

Man unterscheidet die beiden Möglichkeiten Grid-to-Verhicle (G2V) und Vehicle-to-Grid (V2G) nach

dem Energiefluss. G2V beschreibt unidirektionales Laden mit dem Energiefluss von Netz zum Fahr-

zeug, wobei hier der Zeitpunkt der Ladung ad-hoc oder zeitversetzt erfolgen kann. V2G beschreibt

bidirektionales Laden bei dem der Energiefluss auch vom Fahrzeug zum Netz erfolgt.49 Hierdurch

kann das Laden der Elektrofahrzeuge in Off-Peak-Zeiten verschoben werden. Aus diesem Ansatz er-

49


S.70

25

geben sich ebenfalls Dienstleistungen und neue Geschäftsmodelle, die Anreiz schaffen sollen, ein

Smart Charging zu betreiben. Eine Möglichkeit wäre es, durch Strompreissignale, die die aktuelle

Netzsituation und das Angebot an erneuerbaren Energien widerspiegeln, das Ladeverhalten zu steu-

ern (hohe Last, geringes Angebot � hoher Strompreis). Durch die langen Standzeiten von Fahrzeu-

gen allgemein, wären Elektrofahrzeuge dafür gut geeignet. Hierbei müssen allerdings auch spezielle

Anforderungen beachtet werden, wie die verursachergerechte Weitergabe von Stromgestehungskos-

ten und Netznutzung an die Abnehmer, effiziente Abrechnung der Stromabnahme bei einer hohen

Anzahl an Kunden, ein verständlicher Aufbau des Tarifmodells sowie Beeinflussungspotenzial von

Lastgängen. Denkbar sind Modelle mit einem zeitabhängigen, lastabhängigen oder zeit- und lastab-

hängigen Arbeitspreis. Interessant werden diese Modelle jedoch erst mit einer hohen Durchdringung

mit Elektrofahrzeugen und entsprechenden Informations- und Kommunikationstechnologien der

Ladeinfrastruktur, da erst ab dieser Phase ein entsprechender Strombedarf zu erwarten ist.50

Für die Umsetzung von Smart Charging werden in der Ladeinfrastruktur zusätzliche technische Kom-

ponenten benötigt. Load Controller sind Geräte die eine Aktuatorfunktion haben. Sie können ange-

schlossene Verbraucher schalten. Gateway Controller stellen die Kommunikation zwischen den Ver-

brauchen und dem übergeordneten Energieinformationsnetz dar. Sie setzen verschiedene Kommuni-

kationsprotokolle (bspw. Zählerkommunikation, Gerätekommunikation etc.) in ein gemeinsames,

übergeordnetes Protokoll um.51

All diese Prozesse benötigen bestimmte technische und verwaltungstechnische Voraussetzungen,

wodurch der Aufbau und der Betrieb von Ladeinfrastruktur viele Ansatzpunkte für Dienstleistungen,

Geschäftsmodelle oder andere unternehmerische Leistungen (Produktion etc.) eröffnen. Hieraus

ergeben sich folgende mögliche Geschäftsmodelle (Abbildung 18):

50

(Paetz, et al., 2012) S.2 51

(Satikidis) S.37

Abbildung 18: Überblick

2.6 Stakeholder im Bereic

Im folgenden Abschnitt sollen die

in Verbindung mit Ladeinfrastrukt

fen, wie das System Ladeinfrastru

wie die verschiedenen Akteure mi

In (Hoerstebrock, et al., 2012)

Macht, Legitimität und Dringlichk

Forschung und Entwicklung defin

Energieversorger, die Automobilin

eine Überschneidung zwischen M

52

(Kley, 2011) S.170

Fahrzeugzentrisch

•Leasing des Fahrzeugs

•Leasing der Batterie

•Car-Sharing

•Multi-modale Mobilität, Integrati

•Fahrzeugdienste (Softwarediagno

•Batterierecycling

Infrastrukturzentrisch

•Abrechnung mir der privaten Stro

•Abrechnung mit der Parkgebühr

•Hochleistungsladen

•Roamingmöglichkeit

•Applikation zum Auffinden und R

•Induktive Ladung

•Abrechnung mit Bezahlkarten

•Werbung an der Ladesäule

•Werbung mit der Ladesäule

Systemdienstleistungszentrisch

•Integration mit erneuerbarem Str

•Spitzen- und Schwachlasttarife

•Aggregator zum Stromhandel an d

Gemischte Modelle

•Auto-/Strom-Tarife bzw. Bündel m

•Integration in Smart-Home-System

•Smartphone: Stromverbrauch etc

•Leasing und Batterietausch

•Flotten-/ städtischer Lieferverkeh

lick verschiedener Vorschläge elektromobiler Geschäftsm

ereich Ladeinfrastruktur

die verschiedenen Stakeholder, also Akteure und

truktur aufgezeigt werden. Hiermit wird ein Überblic

struktur technisch, wirtschaftlich und gesellschaftlic

e miteinander gekoppelt sind.

werden Stakeholder durch die Überschneidung

hkeit in Gruppen eingeteilt (Abbildung 19). Dabe

efinitive Stakeholder aus der Überschneidung aller

bilindustrie sowie die Nutzer werden als dominant

en Macht und Legitimität, bezeichnet. Vernachläss

gration mit anderen Verkehrsträgern

agnosen, Fehlerspeicher)

Stromrechnung

ühr

nd Reservieren von Ladestationen

isch

Strom

an den Regelenergiemärkten

del mit Ladeinfrastruktur

ysteme

etc.

rkehr

26

äftsmodelle52

nd Interessengruppen,

rblick darüber geschaf-

ftlich aufgebaut ist und

dung der Dimensionen

abei sind Politik sowie

aller drei Dimensionen.

nante Stakeholder, also

lässigbare Stakeholder

27

(nur Legitimität) sind dabei Infrastrukturbetreiber, Finanzdienstleister sowie Informations- und

Kommunikationstechnikdienstleister (IKT). Dabei ist die fehlende Dimension Macht daher begründet,

dass ein Abhängigkeitsverhältnis zu Energieversorgern und der Automobilindustrie besteht. Vernach-

lässigbar bedeutet jedoch nicht eine untergeordnete Rolle in der Wichtigkeit dieser Akteure für die

Elektromobilität.

Abbildung 19: Stakeholderklassen53

Diese acht Stakeholder lassen sich noch weiter aufgliedern. Aus dem in den letzten Jahren schnell

wachsenden Markt der Elektromobilität, entstanden Dienstleistungsangebote, Geschäftsmodelle und

Marktteilnehmer. Eine ausführliche Darstellung über den aktuellen Stand und weitere Entwicklungen

wird in (Brand, 2013) gegeben. Hierbei wird die Ladeinfrastruktur in folgende Ebenen aufgeteilt:

- Geschäftsebene

- Dienstleistungsebene

- Anwendungsebene

- Infrastrukturebene

Die Darstellung der E-Mobility Coordination Group zeigt eine Modellierung mit fünf anstelle von vier

Ebenen. Die Ebenen sind: Geschäftsebene, Funktionsebene, Informationsebene, Kommunikations-

ebene, Komponentenebene. Abbildung 20 zeigt Aufbau und Struktur eines Smart-Grids, in dem die

Elektromobilität als ein Baustein betrachtet werden kann und verbildlicht sehr gut den Übergang von

der Komponenten- oder Infrastrukturebene zur Geschäftsebene.

53

Nach (Hoerstebrock, et al., 2012) S.3

28

Abbildung 20: Ebenen einer Referenzarchitektur Ladeinfrastruktur54

Die Geschäftsebene enthält Ziele und Prozesse sowie politische Rahmenbedingungen. Die Funktions-

ebene repräsentiert Anwendungen sowie Funktionen und Dienste, die abstrakt und unabhängig von

der physikalischen Implementierung sind. Die Informationsebene beschreibt Datenmodelle und In-

formationspakete, die von der Funktionsebene erfordert werden. Die Kommunikationsebene be-

schreibt Schnittstellen, Protokolle und Mechanismen zum interoperablen Austausch von Informatio-

nen zwischen den Komponenten für die jeweiligen übergeordneten Anwendungsfälle. Die Kompo-

nentenebene, beschreibt die Komponenten der elektrischen Netze und Infrastruktur, welche für den

physikalischen Austausch und die Vernetzung aller beteiligten Systeme zuständig sind. Aufgespannt

werden die verschiedenen Ebenen in Domänen, welche die Umwandlungskette von elektrischer

Energie abdecken (bspw. Elektrizitätserzeugung, Übertragung, Verteilung, etc.) und Zonen, welche

die Stufen des Managements in der Stromversorgung wiederspiegeln (Prozess, Unternehmen, Markt,

etc.).55

Aus der Ebenendarstellung ergibt sich die Möglichkeit sowohl Top-down- als auch Bottom-Up-

Entwicklungen durchzuführen. Bei der Top-down-Methode werden, ausgehend von der Geschäfts-

bzw. Funktionsebene, die Ebenen nach unten entwickelt. Hierbei wird ermittelt, was zur Erfüllung

gesetzter Ziele auf unterster Ebene (Komponentenebene) benötigt und erwünscht wird. Umgekehrt

54

(EM-CG E-Mobility Coordination Group, 2012) 55

(Williams, et al., 2013) S.18 ff.

29

werden bei der Bottom-Up Methode von der Komponentenebene ausgehend die Ebenen nach oben

analysiert. Hierbei wird der Frage nachgegangen: Was existiert und wie kann es genutzt werden?

Entlang der Verbindungen zwischen den Ebenen ergeben sich unterschiedliche Positionen und

Markteintrittsmöglichkeiten für Akteure mit unterschiedlichen Interessen (Abbildung 21). Es ergeben

sich aktuell folgende Marktteilnehmer, die an der Ladeinfrastruktur beteiligt sind56:

- Energieerzeuger

Erzeuger und Einspeiser der Energie auf Verteil- oder Übertragungsnetzebene

- Verteilnetzbetreiber (Distribution System Operator DSO)

Zuständig für die regionale Versorgungsstabilität, den Zugang und die Integration erneuerba-

rer Energien zum Energieversorgungsnetz auf der Verteilnetzebene

- Übertragungsnetzbetreiber (Transmission System Operator TSO)

Ist für das stabile Betreiben des Energieversorgungssystems inklusive dem physikalischen

Ausgleich auf überregionaler Ebene zuständig

- Energieversorger (einziger Schnittpunkt zwischen Energieerzeuger und Energieverbraucher)

Hat vertragliche Vereinbarungen mit dem Endnutzer über die Versorgung mit Energie

- Energiehändler (Börse)

Händler für die tatsächliche Lieferung der Energie, der Angebote der Bilanzkreisgruppenver-

antwortlichen entgegen nimmt; definiert den Energiepreis am Markt

- Bilanzkreisgruppenverantwortlicher

Erbringt, vertraglich geregelt, die finanzielle Sicherheit der Ausgleichsverantwortlichen und

berechtigt diese dadurch erst zur Marktteilnahme und zum Kauf- und Verkauf von Energie

auf dem Gesamtmarkt

- Messstellenverantwortlicher

Verantwortlich für die Installation, Wartung, Zertifizierung sowie die Auslesung der Zähler

- Ladepunktbetreiber (Charging Station Operator CSO)

Ist vertraglich mit dem Energieversorger verbunden und bietet Zugang zu Ladestationen so-

wie Ladeservices an und stellt diese in Rechnung

- Ladeserviceanbieter (Charge Service Provider CSP - Vermittler zwischen Nutzer und CSO)

Ist Vertragsanbieter für den Nutzer und kümmert sich um die Authentifizierung und die Ab-

rechnung des Ladevorgangs

- Elektromobilitätsnutzer

Nutzer und Besitzer von Elektrofahrzeugen; stellt Anforderungen an die Benutzung und

nimmt durch sein Verhalten Einfluss auf Hersteller, Anbieter und Betreiber

56

(Brand, 2013) S.14 ff.

30

- Clearing-Stelle

Ermöglicht das E-Roaming; sammelt Vertragsdaten der Akteure und Vermittelt zwischen ih-

nen

- Automobilindustrie (OEMs)

Produziert Elektrofahrzeuge und bietet Dienstleistungen im Zusammenhang ihrer eigenen

Fahrzeuge an

- IKT-Dienstleister

Stellt Kommunikationstechnik und -dienstleistungen zwischen den Akteuren bereit

- Politik

Setzt Rahmenbedingungen durch Gesetze und Anreize und kann dadurch steuernd auf alle

Bereiche wirken

- Forschung und Entwicklung

Technologischer Vorantreiber durch Analyse, Neu- und Weiterentwicklung von technischen

Komponenten, Geschäftsmodellen und Nutzungskonzepten

Abbildung 21 zeigt eine Übersicht, welche Interessen einige der Stakeholder verfolgen.

Staat Netzbetreiber Produzent Händler Kunde

Versorgungssicherheit

durch Effizienz

hohe Planbarkeit

bei wenig

Infrastrukturausbau

hohe Produktion bei

wenig Kapazitätsmarge

viel Handel bei

hoher Marge

tiefe Preise (und allen-

falls Effizienz)

Netzstabilität

Nachfrage > Angebot

statisch

Nachfrage ≠ Angebot

dynamisch

tiefe Lastspitzen hohe Lastspitzen

tiefer Stromverbrauch hoher Stromverbrauch tiefer Stromverbrauch

(ökol. Motiv)

hohe Abnahmepreise tiefe Endkundenpreise

Abbildung 21: Stakeholderinteressen57

Viele der Rollen werden von ein und demselben Akteur übernommen, sodass sich sogenannte Elekt-

romobilitätsanbieter entwickeln.

57

Nach (Sprenger, 2011) S.22

31

2.7 Kosten verschiedener Ladeinfrastrukturlösungen

In (Kley, 2011) wird eine detaillierte Auflistung der Kosten verschiedener Ladeszenarien zusammen-

gestellt und diese über zu erwartende Auslastung dem konsumierten Strom zugeordnet. Diese Auflis-

tung wird in diesem Kapitel dargestellt. In Tabelle 6 werden zunächst die verschiedenen Ladeszenari-

en aufgelistet. Sie unterscheiden sich in Bezug auf den Standort (privat, halböffentlich, öffentlich)

und die technische Konfiguration (Anschlussleistung, Anschlussart und Abrechnung). Es ergeben sich

daraus sieben Szenarien für das kabelgebundene Laden und sechs Szenarien für das induktive Laden.

Im privaten Bereich wird mit geringeren Leistungen ohne Abrechnung geladen. Im halböffentlichen

und öffentlichen Bereich wird davon ausgegangen, dass höhere Anschlussleistungen bereitgestellt

werden, um bei den kürzeren Standzeiten (im Vergleich zum privaten Laden) mehr Energie übertra-

gen zu können. Auch Gleichstromladung wird hier betrachtet. Es wird ebenfalls davon ausgegangen,

dass durch die kürzeren Standzeiten keine Steuerung des Ladevorgangs notwendig ist (netzgesteuer-

tes Laden), jedoch immer eine separate Abrechnung erfolgt.

Tabelle 6: Ladeinfrastrukturszenarien zur ökonomischen Bewertung

Technologie Standort Anschlussleistung Anschlussart Abrechnung Szenario

Konduktiv

Privat 3,7 kW ungesteuert

Nein

K1

11,1-22,2 kW

gesteuert

K2

Halböffentlich 11,1-22,2 kW K3

Ja

K4

Öffentlich

11,1-22,2 kW

ungesteuert

K5

43,6 kW K6

100 kW (DC) K7

Induktiv

Privat 3,7 kW ungesteuert

Nein

I1

11,1 kW

gesteuert

I2

Halböffentlich 3,7 kW I3

11,1 kW

Ja

I4

Öffentlich 3,7 kW

ungesteuert I5

11,1 kW I6

Kosten kabelgebundener Ladesysteme

Tabelle 7 zeigt die Auflistung der Kosten kabelgebundener Ladesysteme. Die Kosten teilen sich auf in

Anschaffungskosten, die einmalige Investitionen sind und Betriebskosten, die jährlich anfallen.

Zu den Anschaffungskosten zählen die Kosten für die Infrastrukturhardware, welche sich aus den

wichtigsten elektrischen Komponenten zusammensetzten (Überspannungsschutz, Fehlerstrom-

schutzschalter etc.) und die Kosten für das Gehäuse. Weitere Kosten entstehen durch Kommunikati-

onshardware, Stecker und Ladekabel sowie die Montage- und Baukosten zur Errichtung der Ladesäu-

le. Bei der Leistungselektronik (Gleichrichter, etc.) wurde in dieser Aufstellung davon ausgegangen,

32

dass diese größtenteils im Fahrzeug verbaut wird (On-board-Ladeeinheit). Erst bei der Gleichstromla-

dung wird die Leistungselektronik auch in der Ladesäule benötigt.

Die Betriebskosten teilen sich auf in Wartungskosten, Stellplatzmiete, Kommunikationskosten und

Kosten für die Messung. Im privaten Bereich fallen die letzteren gänzlich weg. Erst im öffentlichen

Raum muss gegebenenfalls eine Stellplatzmiete berücksichtigt werden. Die Wartungskosten werden

mit ca. 5-10% der Hardwarekosten angenommen. Es ist zu erkennen, dass mit steigender Leistung

und steigenden Anforderungen an die Ladesäule für öffentliche Aufstellung die Kosten ansteigen.

Speziell die Kosten für die Infrastrukturhardware sowie Montage- und Wartungskosten steigen stark

an. Bei Gleichstromladung haben die Kosten für die Leistungselektronik, die in den anderen Szenari-

en nicht benötigt wird, den größten Anteil.

Tabelle 7: Kosten des konduktiven Ladesystems auf Basis von Einzelkomponenten

Komponenten

Konduktive Ladeinfrastrukturkosten (in € sowie €/a)

K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7

An

sch

affu

ngs

ausg

abe

n

Infrastrukturhardware 50-100 100-300 500-1.000 500-1.000 1.000-

4.000

2.000-

8.000

8.000-

16.000

Kommunikationshardware / 50-100 200-1.000 200-1.000 200-1.000 200-1.000 200-1.000

Abrechnungshardware / / / 500-1.000 500-1.000 500-1.000 500-1.000

Leistungselektronik / / / / / / 15.000-

20.000

Ladekabel mit Stecker 50 100 100 100 100-250 100-250 250-500

Montage-/ Baukosten 50-200 100-300 200-500 200-500 1.000-

5.000

1.000-

5.000

2.000-

10.000

Be

trie

bsk

ost

en

Stellplatzmiete / / / / 300-1.200 300-1.200 300-1.200

Wartungskosten 5-15 13-50 40-210 65-310 90-625 140-1.025 1.198-

3.850

Kommunikationskosten / / 60-120 60-120 60-120 60-120 60-120

Messung / / / 250-500 250-500 250-500 250-500

Kosten kabelloser Ladesysteme

Tabelle 8 zeigt die Auflistung der Kosten induktiver Ladesysteme. Bei der Aufstellung der Anschaf-

fungskosten wurden in diesem Fall zusätzlich Kosten betrachtet, die durch die Um- oder Aufrüstung

des Fahrzeugs, also auf Sekundärseite, entstehen. Bis auf den Austausch von Ladekabel und Stecker

durch Spulensysteme ist die Einteilung der Komponenten ansonsten identisch. Durch die komplexere

Technik (Leistungselektronik, Kommunikationshardware, Spulensystem) sind die Kosten induktiver

Systeme bereits bei privaten Anwendungen mit kleiner Ladeleistung teuer im Vergleich zu kabelge-

bundenen Systemen. Durch das Fehlen des Gehäuses und die relativ einfache Installation der Spulen-

systeme auf oder im Boden, steigen die Kosten mit den höheren Anforderungen im öffentlichen Be-

reich (Schutz gegen Witterung und Vandalismus) jedoch nicht so stark an wie bei konduktiven Lade-

systemen. Dadurch, dass der Ladevorgang nicht durch das Einstecken des Kabels automatisch startet

33

sind die Kosten für Kommunikationshardware sowohl im privaten als auch im öffentlichen Bereich

vorhanden. Auch diese Kosten steigen jedoch mit den unterschiedlichen Einsatzorten nicht an. Glei-

ches gilt für die Leistungselektronik und das Spulensystem, sowohl primär- als auch sekundärseitig.

Die laufenden Kosten von induktiven Ladesystemen sind vergleichbar mit den Kosten konduktiver

Systeme, sie erfordern allerdings einen höheren Wartungsaufwand.

Tabelle 8: Kosten des induktiven Ladesystems

Komponenten

Induktive Ladeinfrastrukturkosten (in € sowie €/a)

I1 I2 I3 I4 I5 I6

An

sch

affu

ngs

ausg

abe

n

Infrastrukturhardware 50-100 50-100 500-1.000 500-1.000 500-1.000 500-1.000

Kommunikationshardware 500-1.000 1.000-2.000 1.000-2.000 1.000-2.000 1.000-2.000 1.000-2.000

Abrechnungshardware / / / 500-1.000 500-1.000 500-1.000

Leistungselektronik 1.000-1.500 1.500-2.000 1.000-1.500 1.500-2.000 1.000-1.500 1.500-2.000

Spulensystem 500-1.000 1.000-1.500 500-1.000 1.000-1.500 500-1.000 1.000-1.500

Montage-/ Baukosten 200-1.000 200-1.000 1.500-2.000 1.500-2.000 1.500-2.000 1.500-2.000

Leistungselektronik (sekundär) 800-1.200 1.000-1.700 800-1.200 1.000-1.700 800-1.200 1.000-1.700

Spulensystem (sekundär) 400-1.000 500-1.500 400-1.000 500-1.500 400-1.000 500-1.500

Montage-/Baukosten (sekundär) 200-300 200-300 200-300 200-300 200-300 200-300

Be

trie

bsk

ost

en

Stellplatzmiete / / / / 300-1.200 300-1.200

Wartungskosten 103-360 178-560 150-550 225-750 175-650 225-750

Kommunikationskosten / / 60-120 60-120 60-120 60-120

Messung / / / 250-500 250-500 250-500

Gesamt- und Strommehrkosten

Aus der Zusammenstellung der Kosten auf Komponentenbasis wurden zum einen die Gesamtkosten

(Total Costs of Ownership TCO), zum anderen aber auch die sogenannten Strommehrkosten ( �) er-

mittelt (Tabelle 9). Diese ergeben sich aus Annahmen über die durchschnittlich konsumierte Strom-

menge (��) und die Anzahl der zugeordneten Fahrzeuge (F). Diese Kosten entsprechen einem für

Fahrstrom zusätzlich zu erhebenden Mehrpreis pro Kilowattstunde.

Die Zeitdauer (��) zur Ermittlung der jährlichen Kosten wurde mit fünfzehn Jahren angenommen. Der

Diskontierungszinssatz (k) wurde variabel in Abhängigkeit des Aufstellungsortes bzw. dem damit ver-

bundenen Investor angenommen und beträgt im privaten Bereich 3% (privater Haushalt), im halböf-

fentlichen Bereich 8% (Unternehmen) und im öffentlichen Bereich 15% (Energieversorgungsunter-

nehmen). Die Gesamtkosten der Primärseite ergeben sich dann aus der Summe der Anschaffungs-

kosten (��,��) und den diskontierten Betriebskosten ( �) nach folgender Formel:

34

Formel 2: Gesamtkosten Ladeinfrastruktur

�� = ��,�� + ��

�� 1 − ��!"#$%1 − ��!" − 1&

Die zu erhebenden Strommehrkosten pro Fahrzeug ergeben sich aus:

Formel 3: Strommehrkosten pro Fahrzeug

!� = '1( �� + ��)*"� +, ��-1 + ./�$%�� 01�

Tabelle 9: Gesamtüberblick der Ladeinfrastrukturkosten

Szenarien

Ökonomische Parameter der Ladeinfrastruktur

k �� ,��

�� )*" F ��-1 + ./�$%��

[%] [a] [€] [€/a] [€] [€] [#] [kWh] [€/kWh]

Ko

nd

ukt

ive

Lad

un

g K1

3 15 150-350 5-15 206-519 / 1,0

29.076 0,01-0,02

K2 15 350-800 13-50 497-1.365 / 1,0 0,02-0,05

K3 8

15 1.000-2.600 100-330 1.824-5.321 / 2,0 21.221

0,04-0,13

K4 15 1.500-3.600 375-930 4.592-11.267 / 5,0 0,04-0,11

K5

15

15 2.800-11.250 700-2.445 6.807-25.246 / 5,0

14.735

0,09-0,34

K6 15 3.800-15.250 750-2.845 8.093-31.536 / 11,4 0,05-0,19

K7 15 25.950-48.500 1.808-5.670 36.300-80.958 / 25,6 0,10-0,21

Ind

ukt

ive

Lad

un

g I1

3 15 2.250-4.600 103-360 3.413-8.667 1.400-2.500 1,0

29.076 0,17-0,38

I2 15 3.750-6.600 178-560 5.761-12.926 1.700-3.500 1,0 0,26-0,56

I3 8

15 4.500-7.500 210-670 6.231-13.024 1.400-2.500 2,0 21.221

0,21-0,42

I4 15 6.000-9.500 535-1.370 10.411-20.795 1.700-3.500 2,3 0,29-0,59

I5 15

15 5000-8500 785-2.470 9.494-22.639 1.400-2.500 2,0 14.735

0,42-0,94

I6 15 6.000-9.500 835-2.570 10.780-24.212 1.700-3.500 2,3 0,43-0,95

Durch den Vergleich mit den Kosten von konventionellen Kraftstoffen wurde ein Grenzwert für die

Strommehrkosten von 0,19 €/kWh ermittelt. Liegen die Kosten darüber ist es für den Nutzer günsti-

ger konventionellen Kraftstoff zu tanken.

Aus diesen Erkenntnissen wurde für die drei Standorte jeweils das ökonomisch attraktivste Ladesys-

tem ermittelt:

- Privates Laden mit Anschlussleistungen von 3,7-22,2 kW und durchschnittlichen Strommehr-

kosten von 0,01 €/kWh

- Laden im halböffentlichen Raum mit Anschlussleistungen von 11,1-22,2 kW und durch-

schnittlichen Strommehrkosten von 0,08 €/kWh

- Öffentliches Laden mit Anschlussleistungen von 11,1-43,6kW und durchschnittlichen Strom-

mehrkosten von 0,17 €/kWh

35

2.8 Normen, Richtlinien und Gesetze

Ein wichtiger Schritt hin zu einem einheitlich funktionierenden System ist die Schaffung von Stan-

dards, die von allen Marktteilnehmern akzeptiert und angewendet werden. Die Schaffung von Nor-

men, Richtlinien und Gesetzen erzeugt eine technische sowie wirtschaftliche Sicherheit. Dadurch hat

die Normungsarbeit entlang der gesamten Wertschöpfungskette für Hersteller, Dienstleister bis zum

Nutzer hohe Bedeutung. Ziel ist es Sicherheit, Kompatibilität und Leistung durch Standards aufzu-

bauen.58 Die Normungsarbeit im Bereich der Elektromobilität hat die Besonderheit, dass mehrere

bisher getrennt betrachtete Domänen zusammenwirken. Fahrzeugtechnik, Elektrotechnik und Kom-

munikationstechnik waren bisher unterschiedlichen Normungsinstitutionen zugeordnet und müssen

nun zusammengeführt werden.

Die Arbeit an der Entwicklung von Normen für Elektromobilität und speziell für die Ladeinfrastruktur

ist bereits weit vorangeschritten, jedoch noch nicht abgeschlossen. In diesem Kapitel wird ein Über-

blick über den aktuellen Stand und den Ausblick auf die Normungsaktivitäten in Deutschland, in der

Europäischen Union und auf internationaler Ebene gegeben.

Abbildung 22 zeigt eine Übersicht und die innere Struktur der verschiedenen Institutionen zur Erar-

beitung von Normen innerhalb Deutschlands, Europas sowie weltweit. Die nationalen Gremien sind

jeweils Mitglieder in den internationalen Spiegelgremien. So können nationale Interessen und Kom-

petenzen auch auf internationaler Ebene gebündelt werden. Auf allen Ebenen sind Koordinierungs-

gruppen zwischen der Seite der Fahrzeugtechnik (ISO, CEN, DIN) sowie der Elektrotechnik (IEC,

CENELEC, DKE) etabliert worden.

Abbildung 22: Übersicht und innere Struktur der Normungs- und Standardisierungslandschaft59

58

(Smart EV VC) S.7 59


S.9 ff.

36

Nach DIN 820 können Normen in unterschiedliche Arten aufgeteilt werden. Es gibt Gebrauchstaug-

lichkeitsnormen, Liefernormen, Maßnormen, Planungsnormen, Qualitätsnormen, Sicherheitsnor-

men, Stoffnormen, Verständigungsnormen60. Mit diesen Ansatzpunkten kann mit der Normung eine

bestimmte Richtung in der Entwicklung vorgegeben werden. Es können bestimmte Systeme forciert

werden oder aber die Entwicklung offen gelassen und Innovationen gefördert werden, indem nur

Schnittstellen oder Anforderungen definiert werden.

Grundsätzlich sind die Empfehlungen der Nationalen Plattform für Elektromobilität (NPE) für die

Elektromobilität61:

- Politische Flankierung ist europäisch und international erforderlich

- Normung muss schnell und international sein

- Koordinierung und Fokussierung ist zwingend erforderlich

- Normung muss klar und eindeutig sein

- Weltweit einheitliche Ladeinfrastruktur ist notwendig

- Vorhandene Normen müssen genutzt und weiterentwickelt werden

- Mitwirkung an europäischer und internationaler Normung ist essenziell

Da in Normen die Interessen vieler verschiedener Gruppen eingehen, ist der Prozess dementspre-

chend zeitaufwändig. Als Beispiel für den Ablauf der Erstellung der Normen ist das Vorgehen des IECs

folgendes:

Abbildung 23: Entwicklungsprozess von Normen der IEC62

60

(Deutsches Institut für Normung e.V., 2014) S.11 61


S.55

Einleitungsphase

•Datensammlung

Antragsphase

•Antrag aus der Industrie

•NP = New work item proposal

Vorbereitungs-phase

•WD = Working draft

Komitee-Phase

•Komentierung durch nationale Komitees (12 Monate)

•CD = Committee draft

Abstimmungs-phase

•Abstimmung durch nationale Komitees (5 Monate)

•CDV = Committee Draft for vote

Anerkennungs-phase

•Abstimmung (Ja, Nein, Entahltung) (2 Monate)

•FDIS = Final Draft International Standard

Veröffentlichungs-phase

•Veröffentlichung innerhalb 1-2 Monaten

2.8.1 Systemübersicht - Stan

Plattform Elektromobili

Die NPE sieht in der Normung ei

Aus diesem Grund hat sie eine No

hen aller beteiligten Akteure in B

stellt und koordiniert wird. Es sol

nationalen Belange auf der einen

ren Seite, forciert werden. Die Ro

sichtlichen Zeitplan der Einführun

che, welche Standardisierungsbed

rüst für die Darstellung der Norm

(2014) erweitert wird.

Der Standardisierungsbedarf für

werden (Abbildung 24).

Abbildung 24: Domän

62

(IEC, 2014) 63

(AG4 Normung, Standardisierung u

Ladeinfrastrukturtechnik

•Anschlusstechnik

•Leistungselektronik

•Kommunikations- und Steuerungs

Sicherheit

•Funktionale Sicherheit

•Elektrische Sicherheit

•Datensicherheit

Kommunikation

•Schnittstellen

•Protokolle

Energieflüsse

•Richtung

•Schutzbedingungen

Dienste

•Strommessung

•Abrechnung

Netzintegration

•Lastmanagement

•aktive Rückspeisung

Ergonomie

•Gebrauchstauglichkeit

•Nutzerfreundlichkeit

Standardisierung und Normungs-Roadmap

obilität63

g eine hohe Bedeutung für die Markteinführung

e Normungs-Roadmap erstellt, mit deren Hilfe das

in Bezug auf die Normung und Standardisierung

s soll eine langfristige Strategie entwickelt werden,

inen Seite, und der internationale Zugang der Wirts

ie Roadmap enthält Abschätzungen der Wichtigkeit

hrung der Normen. Sie stellt eine gute Systemübers

sbedarf aufweisen, dar und wird daher in diesem K

Normungsaktivitäten herangezogen, welches um d

für die Ladeinfrastruktur kann in die folgenden

änenübersicht Standardisierungsbedarf für Ladeinfra

ng und Zertifizierung der Nationalen Plattform Elektromo

ungstechnik

37

ap der Nationalen

g der Elektromobilität.

das strategische Vorge-

ng übersichtlich darge-

en, mit deren Hilfe die

irtschaft auf der ande-

keit sowie den voraus-

bersicht über die Berei-

m Kapitel als Grundge-

m den aktuellen Stand

Domänen aufgeteilt

astruktur

omobilität (NPE), 2013)

38


In die Normen der Ladeinfrastrukturtechnik fallen die Bereiche Anschlusstechnik (Stecker, Kabel,

Ladeart), Leistungselektronik (Gleichrichter, Wechselrichter, Leistungsfaktorkorrektur) sowie Kom-

munikations- und Steuerungstechnik (Hardware). Der bidirektionale Energiefluss muss hierbei bereits

berücksichtigt werden, um die technischen Voraussetzungen für Smart-Grid-Funktionen zu ermögli-

chen.

Sicherheit

Sicherheit ist ein übergreifendes Thema und betrifft alle Systemkomponenten von elektrischer über

bauliche und funktionale bis hin zur Datensicherheit.

Elektrische Sicherheit bedeutet auf der einen Seite den Schutz des Benutzers (z.B. vor Fehlerströ-

men), auf der anderen Seite den Schutz der Infrastruktur (Blitz- und Überspannungsschutz, sicheres

Einrichten und Erweitern der Anlage, elektromagnetische Verträglichkeit). Wie bei jeder anderen

elektrischen Installation müssen Komponenten wie Sicherungen, Unterbrechungen des Stromkreises,

die Erdung etc. einheitlich und verlässlich funktionieren. Ein besonderes Beispiel für den Normungs-

bedarf und eine einheitliche Abstimmung zwischen den Mitgliedsstaaten der EU, ist die Frage ob und

an welcher Stelle ein Einsteckschutz Vorschrift ist. Dies wird von Land zu Land unterschiedlich be-

handelt.64

Auch die Funktion der Ladesäule muss sichergestellt werden (funktionale Sicherheit). Weiter muss

die Sicherheit des Nutzers und der Infrastruktur vor mechanischen Gefährdungen, Brand- und Explo-

sionsgefährdungen sowie thermischen Gefährdungen gewährleistet werden.65 Auch gegen Umwelt-

einflüsse (Wassereintritt, Kälte, Crash, etc.) müssen entsprechende Standards eine Fehlfunktion ver-

hindern oder ein sicheres Trennen vom Netz gewährleisten.

Datensicherheit ist ebenfalls ein wichtiges Thema. Durch die hohe Anzahl an Schnittstellen bieten

sich viele Angriffspunkte, die durch Sicherheitsstandards geschützt werden müssen. Hier kann auf

viele bereits existierende und international anerkannte Normen für sichere Steuerungs- und Tele-

kommunikationssysteme zurückgegriffen werden. Es werden spezielle Normen für die Elektromobili-

tät und die Sicherung der spezifischen Kommunikationsschnittstellen, wie zwischen Ladesäule und

Fahrzeug, benötigt. Weiter erlaubt die Erstellung von Schutzprofilen die Nachprüfbarkeit und Zertifi-

zierung von Produkten unterschiedlicher Hersteller.

64

(CEN, CENELEC, 2011) S.3 65

(Landtag Baden-Württemberg, 2012) S.4

39

Kommunikation

Priorität hat die Normung der Kommunikation zwischen Fahrzeug, Infrastruktur und Netz (Vehicle to

Grid Communication). Für die Kommunikation zwischen Ladestation und Fahrzeug wird von der NPE

die Powerline-Communication favorisiert, da diese auch rückwärtskompatibel zu älteren Systemen

ist. Auf höheren Ebenen werden meist IP- und XML- basierte Technologien eingesetzt.

Die Kommunikationsschnittstelle ist Basis für die Funktion vieler Nutzungsmodelle, wie Smart-Grid-,

Smart-Home- und Smart-Charging-Anwendungen und hat daher einen hohen Stellenwert bei der

Interoperabilität. Zur Kommunikation mit der Ladesäule wird hauptsächlich OCPP (Open Charge Point

Protocol) genutzt. Dieses Protokoll ist ein Simple Object Access Protocol (SOAP), welches den Daten-

austausch verschiedenster Komponenten über das Internet ermöglicht. OCPP ist offen nutzbar und

beschreibt Operationen zur Steuerung der Ladestation (z.B. Autorisierung des Zugriffs, Statusüber-

prüfung, Displayanzeige, Übertragung der geladenen Strommenge).66

Energieflüsse

Zwischen allen Komponenten werden Energieströme ausgetauscht. Von der Erzeugung über die Ver-

teilung in den Haushalt oder zur Ladestation müssen Energieflüsse einheitlich überwachbar und

messbar sein. Gerade in einem Energieversorgungssystem mit dezentraler Erzeugung und Elektro-

fahrzeugen, die als Speicher eingesetzt werden sollen, ist es wichtig, die Richtung der Energieflüsse

zu berücksichtigen. Beim kabelgebundenem Laden konzentrieren sich die Normungsaktivitäten auf

die mechanischen und elektrischen Kennwerte sowie die Signalisierung.

Dienste

Die Messung und Erfassung der Energielieferung beim Laden mit Wechselstrom erfolgt gemäß gel-

tender Vorschriften und eichrechtlicher Anforderungen, die bereits jetzt zur Abrechnung von Strom-

mengen verwendet werden. Bei der Ladung mit Gleichstrom oder induktivem Laden sind jedoch noch

Standardisierungen und Normen für Mess- und Zähltechnik mit Nicht-Netzfrequenz nötig.

Auch die Abrechnung von Infrastrukturdienstleistungen bedarf Vereinheitlichung. Abrechnungsdiens-

te müssen transparent und nachvollziehbar sein, um als Entscheidungsgrundlage für die jeweiligen

Akteure dienen zu können. Als Vorbild könnte der in Deutschland im Vergleich zu anderen Ländern,

stark liberalisierte Strommarkt dienen, in welchem viele Stromlieferanten in einem Netz existieren

und der Kunde zwischen diesen frei wählen kann.

Dienstleistungen im Zusammenhang mit Parkplätzen bedürfen nach bestehenden Gesetzen konfor-

mer Abrechnung. Dieser Bereich hat aktuell Handlungsbedarf und wurde nicht in speziellen Normen

festgelegt.

66

(E-Laad, 2013)

40

Netzintegration

E-Fahrzeuge sind über die Ladeinfrastruktur Teil des Netzes. Sie sind elektrischer Verbraucher oder

aber auch aktive Speicher. Mit Lastmanagement kann eine Regelung in eine Wirkleistungsrichtung,

mit steuerbarer Rückspeisung auch in die entgegengesetzte Richtung bereitgestellt werden. Die Ein-

bindung erfordert Standardisierung zur Steuerung der elektrischen Wirkleistung, Blindleistung und

Netzfrequenz. Analog zum sogenannten 50,2 Hz-Problem bei Photovoltaikanlagen müssen geeignete

Maßnahmen zur Integration in ein Smart-Grid standardisiert werden.

Die Netzspannung im Verteilnetz ist eine lokale Größe und abhängig vom jeweiligen Netzanschluss-

punkt. Daher ist ein systemischer Ansatz (zentral vs. dezentral) zur Einhaltung der Spannungsabwei-

chungen nötig.

Ergonomie

Durch angepasste und standardisierte Ergonomie kann die Gebrauchstauglichkeit und die Nutzer-

freundlichkeit optimiert werden. Gesundheitliche Risiken werden minimiert, Bedienfehler und Irrtü-

mer vermieden und durch die Minimierung kognitiver Belastungen des Nutzers der Ladekomfort

gesteigert. Vereinheitlichung von Formen, Farben und Kennzeichnung vereinfacht das Auffinden der

Ladesäulen.

2.8.2 Normungsaktivitäten in Deutschland

Abbildung 25 zeigt schematisch die Zusammenhänge der deutschen Organisationen zur Normung im

Bereich Elektromobilität. Da hier viele Systemkomponenten fachübergreifend zusammenspielen, sind

dementsprechend mehrere Normungsinstitutionen beteiligt.

In Deutschland ist das Deutsche Institut für Normung (DIN) für die Erarbeitung von Normen verant-

wortlich. Die deutsche Kommission für Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnologie (DKE)

ist eine Abteilung des DIN.67 Der Normungsausschuss Automobil (NA-Automobil), ebenfalls Teil des

DIN, vertritt die nationalen, regionalen und internationalen Normungsinteressen des Kraftfahrzeug-

wesens.68 Zur Koordinierung wurde ein Lenkungskreis EMOBILITY zwischen DKE und dem NA-

Automobil eingerichtet.69 Ziele des Lenkungskreises sind die Förderung von Entwicklungen, das Steu-

ern und Koordinieren der verschiedenen Normungs- und Standardisierungsprojekte auf nationaler,

67

(DIN, 2014) 68

(NA-Automobil, 2014) 69


S.17

41

europäischer und internationaler Ebene sowie der kontinuierliche Informationsfluss in der Gemein-

schaft.70

Abbildung 25: Nationale Abstimmung bei der Normung und Standardisierung zur Elektromobilität71

Arbeit von DIN und DKE

Die DKE hat zu den verschiedenen Systemkomponenten eine Vielzahl von Gremien und Arbeitskrei-

sen eingerichtet, die mit der Entwicklung der Normen beauftragt sind.

Abbildung 26: Gremien bei DIN, NA Automobil und DKE72

70

(DKE, 2013) 71


S.18

42

Abbildung 26 und Tabelle 10 zeigen einen Überblick über die Gremien und deren Themenschwer-

punkte. Sie verdeutlichen die Vielschichtigkeit der Normung. Für den Bereich der Ladeinfrastruktur

sind die folgenden Gremien beteiligt:

Tabelle 10: Beteiligte Gremien in DIN und DKE72

Bezeichnung Einsatzgebiet

DKE

DKE/AK 353.0.5 Risikoanalyse zur funktionalen Sicherheit der Ladung von Elektrofahrzeugen

DKE/AK 353.0.6 EMV bei der Energieversorgung von Elektrofahrzeugen

DKE/AK 353.0.7 Batteriewechselsysteme

DKE/AK 353.0.8 Nutzerautorisierung für Ladeinfrastruktur

DKE/GAK 431.1.7 Verteiler für den temporären Anschluss von Verbrauchern (GAK innerhalb der DKE)

DKE/AK 221.1.11 Systembetrachtung zum Anschluss von Elektrofahrzeugen (Schutz gegen elektri-

schen Schlag)

DKE/AK 116 Graphische Symbole für die Mensch-Maschine-Interaktion;

Sicherheitskennzeichnung

DKE/AK 952.0.15 Informationssicherheit in der Netz- und Stationsleittechnik

DKE/STD 1911.11.5 Smart Charging

Gemeinsame Gremien von DKE und NA Automobil

DKE/GAK 353.0.1 Berührungsloses Laden von Elektrofahrzeugen

DKE/GAK 353.0.2 DC-Ladung von Elektrofahrzeugen

DKE/GAK 353.0.4 AC-Laden von Elektrofahrzeugen

DKE/GAK 353.0.9 Energieversorgung von elektrischen Leichtfahrzeugen

DKE/GAK 542.4.1 Steckvorrichtung zur leitungsgebundenen Netzanbindung von Fahrzeugen

DKE/GAK 542.4.3 DC Steckvorrichtungen zur leitungsgebundenen Netzanbindung von Fahrzeugen

NA 052-01-21-01 GAK Elektrische Sicherheit und Netzschnittstelle

NA 052-01-03-17 GAK Kommunikationsschnittstelle vom Fahrzeug zum Stromnetz (VSG CI)

2.8.3 Normungsaktivitäten in der Europäischen Union

Auch auf europäischer Ebene wird an der Standardisierung der Ladung von Elektrofahrzeugen zu-

sammengearbeitet. Mit dem Mandat M/46873 vom Juni 2010 wurde diese Aufgabe von der Europäi-

schen Kommission an die Institutionen CEN (European Committee for Standardization), CENELEC

(European Committee for Electrotechnical Standardization) und ETSI (European Telecommunications

Standards Institute) übertragen. Vorhandene Normen sollen überarbeitet und neue europäische

Normen erarbeitet werden. Die Aufgaben sind:

- Interoperabilität und Konnektivität zwischen Elektrizitätsversorgung und dem Ladesystem

des Elektrofahrzeug in allen EU-Staaten (sowohl on-board als auch off-board Systeme)

- Berücksichtigung der Möglichkeit von Smart-Charging

72

(DKE, 2013) 73

(Europäische Kommission, 2010)

43

- Berücksichtigung von Sicherheitsrisiken und elektromagnetischer Verträglichkeit des Lade-

systems im Einklang mit den Richtlinien 2006/95/EC (Niederspannungsrichtlinie) und

2004/108/EC (Elektromagnetische Verträglichkeit)

Arbeit von CEN, CENELEC, ETSI

Die drei Institutionen CEN, CENELEC und ETSI hängen auf europäischer Ebene ähnlich zusammen wie

das DIN und DKE auf nationaler Ebene. Die drei Organisationen sind durch die EU-Verordnung zur

Normung (1025/2012) anerkannte, unabhängige Stellen für die Verabschiedung und Veröffentli-

chung Europäischer Normen.74 Mitglieder im CEN und CENELC sind alle entsprechenden nationalen

Normungsorganisationen der EU-Mitgliedsstaaten. Um die sich bei der Elektromobilität überschnei-

denden Themen zu koordinieren, wurde auch auf europäischer Ebene eine Koordinationsgruppe

eingerichtet. Diese hat die Aufgabe, die Aktivitäten in der Weise zu lenken, dass auftretende Proble-

me von den jeweiligen Stellen einheitlich behandelt werden. Die Aufgaben von CEN und CENELC sind

auf verschiedene Arbeitsgruppen, sogenannte Technical Committees, aufgeteilt. Die wichtigsten Ar-

beitsgruppen für die Normung von Elektromobilität und Ladeinfrastruktur sind:

Tabelle 11: Beteiligte Gremien in CEN, CENELEC und ETSI


CEN

CEN/TC 301 Road vehicles (Straßenfahrzeuge)

CENELEC

CLC/TC 13 Metering equipment (Messkomponenten)

CLC/TC 17D Electric equipment (low-voltage switchgear and control gear assemblies)

(Elektrische Komponenten – Niederspannungsschalter und Steuerungsgruppen)

CLC/TC 20 Electric cables

(Elektrische Kabel)

CLC/TC 21 Secondary cells and batteries

(Sekundärzellen und Batterien)

CLC/TC 23BX Socket-outlet, connector configuration

(Stecker, Verbindungskonfigurationen)

CLC/TC 23E Protection elements (circuit breakers)

(Sicherheitseinrichtung, Stromkreisunterbrechung)

CLC/TC 57 Smart-Grid

CLC/TC 64 Electrical installations and protection against electric shock

(Elektrische Einrichtung und Schutz vor elektrischem Schlag)

CLC/TC 69X Electrical systems for electric road vehicles

(Elektrische Systeme für elektrische Straßenfahrzeuge)

CLC/TC 210 Electromagnetic Compability EMC

(Elektromagnetische Verträglichkeit EMV)

74

(CEN, CENELEC, 2012) S.6 ff.

44

2.8.4 Internationale Normungsaktivitäten

Elektromobilität eröffnet einen internationalen Markt. Speziell Japan, USA und China sind Leitmärkte.

Daher ist es sinnvoll, Europa nicht isoliert zu betrachten, sondern in Abstimmung mit anderen inter-

nationalen Bestrebungen zu handeln. Wie auch auf nationaler und europäischer Ebene, werden die

Normungsaktivitäten international auf drei Organisationen aufgeteilt: International Organization for

Standardization (ISO), International Electrotechnical Commission (IEC) und International

Telecommunication Union (ITU). Mitglieder der Organisationen sind ebenfalls alle nationalen Nor-

mungsinstitute.

Arbeit von ISO, IEC, ITU

In einem Memorandum of Understanding (MoU) wurde die enge Zusammenarbeit zwischen den

Organisationen ISO und IEC geregelt.75 Das MoU regelt die Aufgabenverteilung zwischen den Institu-

tionen. Dem IEC werden dabei die Aufgaben der Elektrotechnik und Elektronik und dem ISO alle wei-

teren Fälle zugewiesen. Tabelle 12 zeigt die internationalen Arbeitsgruppen von ISO und IEC sowie

deren Normungsbereiche.

Tabelle 12: Beteiligte Gremien in ISO, IEC und ITU


ISO

TC22/SC 03 Road vehicles – Electrical and electronic equipment

(Straßenfahrzeuge – Elektrische und elektronische Komponenten)

TC22/SC 21 Road vehicles – Electrically propelled road vehicles

(Straßenfahrzeuge – Elektrisch angetriebene Straßenfahrzeuge)

IEC

TC69 Electric road vehicles and electric industrial trucks

(Elektrische Straßenfahrzeuge und elektrische Nutzfahrzeuge)

TC21 und SC21A Secondary cells and batteries

(Sekundärzellen und Batterien)

TC23 und SC23H Electrical accessories, Industrial plugs and socket outlets

(Elektrische Ausstattung, Industriestecker)

TC 57 Power Systems - Management and associated information exchange

(Elektrizitätssysteme – Management und Informationsaustausch)

TC 64 Electrical installations and protection against electric shock

(Elektrische Installationen und Schutz gegen elektrischen Schlag)

75

(ISO, IEC, 2011)

45

2.8.5 Übersicht über Normen

Dieses Kapitel gibt einen Überblick über die aktuell wichtigsten Normen für Ladeinfrastruktur. Tabelle

13 zeigt im Anschluss eine Übersicht über die Normen, die die Ladeinfrastruktur betreffen.

Da sich die meisten nationalen Normen aus den Mitgliedsstaaten der EU mit den IEC- und ISO-

Normen überschneiden oder übernommen wurden, sind hier hauptsächlich die IEC- oder ISO- Be-

zeichnungen aufgeführt.


Für kabelgebundenes Laden ist hauptsächlich die IEC 61851-Normengruppe zuständig. Sie bezieht

sich sowohl auf das Fahrzeug, als auch auf die Infrastruktur. Für induktives Laden gilt die IEC 61980

Weiter beschreibt die IEC 61439 und IEC 60309 Stecker und Verbindungen für die Übertragung von

elektrischer Leistung. Stecker für explizite Verwendung für Elektrofahrzeuge werden in der IEC 62196

beschrieben.

Sicherheit

Der Bereich der EMV wird maßgeblich durch die Richtlinie 2004/104/EC der Europäischen Union ge-

regelt. In Teil 21 der IEC 61851 wird ebenfalls die EMV für Elektrofahrzeuge geregelt. EN 61140 regelt

die Sicherung gegen elektrischen Schlag. Schutzmaßnahmen durch die Verwendung von Gehäusen

werden durch die IEC 60529 beschrieben.

Kommunikation

Die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladepunkt geschieht über das Ladekabel. Dadurch erhält

sie ebenfalls Einzug in die IEC 61851-Normenreihe. Die Kommunikation beim Mode-4-Laden wird

speziell in Teil 24 beschrieben. Weiterführende Kommunikation in Smart-Grid und Smart-Charging-

Konzepten werden wiederum in der ISO/IEC 15118 und IEC 61850 beschrieben.

Die Übertragung der Daten aus dem Fahrzeug heraus ist ebenfalls Thema in der ISO 15118, die noch

nicht endgültig verabschiedet ist, da sich die Automobilhersteller hierbei weder auf der physikali-

schen noch auf der logischen Ebene auf Systeme einigen konnten. Welche Daten das Fahrzeug an die

Ladeinfrastruktur übermittelt, ist Entscheidung des Herstellers (z.B. EVSEID, EMAID, Ladezustand der

Batterie etc.). Die Übermittlung der Fahrzeugdaten an die Ladesäule erfolgt dann über OCPP.

Energieflüsse

Die Definitionen der Energieflüsse sind ebenfalls vor allem in der IEC 62196 und 61851 berücksich-

tigt. Induktives Laden wird in der IEC 61980 behandelt.

46

Netzintegration

Das ordnungsgemäße Funktionieren der am Netz angeschlossenen Komponenten erfordert die Ein-

haltung des vom Netzbetreiber garantierten Spannungs- und Frequenzbandes. Der Normenentwurf

ISO 15118 berücksichtigt die Steuerung der Wirkleistung. Nicht berücksichtigt sind bisher die Steue-

rung der Blindleistung und Maßnahmen zur Frequenzhaltung.

Für das Last- und Speichermanagement sowie die Übermittlung von dynamischen Preisinformationen

werden in den Normen IEC 61850, IEC 61968 und IEC 61970 grundlegende Mechanismen definiert.76

Ergonomie

Ansätze für die einheitliche Gestaltung von Ladeinfrastruktur bieten die Normen ISO 7000 und die

DIN SPEC 33440. In der ISO 7000 werden einheitliche Symbole angegeben, welche es ermöglichen,

länderübergreifend einheitliche graphische Kennzeichnungen, Hinweise oder Erläuterungen zu be-

nutzen. Die Symbole sind nicht speziell für Elektromobilitätsanwendungen erstellt, können hierbei

jedoch nützlich sein. Die DIN SPEC 33440 bietet Handlungshilfen für die Gestaltung von technischen

Einrichtungen und Produkten unter Berücksichtigung der Bedürfnisse und Eigenheiten der Benutzer.

Sie beschreibt grundlegende ergonomische Aspekte und Prinzipien der Mensch-System-Interaktion,

die bei der Nutzung und Anwendung von technischen Produkten und Dienstleistungen im Nutzungs-

konzept Smart-Grid und Elektromobilität relevant sein können. Dabei werden grundlegende ergono-

mische Ziele und Prinzipien erläutert, deren Anwendung auf die Benutzungsschnittstelle sowie Hin-

weise zur Entwicklung von Produkten und Dienstleistungen gegeben.77

76


S.31 77

(Normenausschuss Ergonomie (NAErg) im DIN, 2013) S.4 ff.

47

Tabelle 13: Normen Ladeinfrastruktur

Code Bezeichnung Stand Autor Herausgeber Bearbeitungsstand


IEC 60309-2

Plugs, socket-outlets and couplers for industrial purposes - Part 2:

Dimensional interchangeability requirements for pin and contact-

tube accessories

01.05.2012 IEC/SC 23H IEC International

Standard

IEC 61439-1 Low-voltage switchgear and control gear assemblies - Part 1:

General rules 01.08.2011 IEC/SC 17D IEC

International

Standard

IEC 61439-7

IEC 61439-7, Ed. 1: Low-voltage switchgear and control gear

assemblies - Part 7: Assemblies for specific applications such as

marinas, camping sites, market squares, electric vehicles charging

stations

01.02.2013 IEC/SC 17D IEC Final Draft IEC

17D/478/FDIS

IEC 61851-1 Electric vehicle conductive charging system - Part 1: General

requirements (IEC 69/219/CD:2012) 01.06.2013 IEC/TC 69 IEC

Committee draft

69/250/CD

IEC 61851-21-1

IEC 61851-21-1, Ed. 1: Electric vehicle conductive charging systems

- Part 21-1: Electric vehicle onboard charger EMC requirements for

conductive connection to an a.c./d.c. supply

01.11.2013 IEC/TC 69 IEC Committee draft

69/266B/CD

IEC 61851-21-2

IEC 61851-21-2, Ed. 1: Electric vehicle conductive charging system

- Part 21-2: EMC requirements for OFF board electric vehicle

charging systems

01.05.2013 IEC/TC 69 IEC Committee draft

69/245/CD

IEC 61851-22 IEC 61851-22: Electric vehicle conductive charging system - Part

22: A.C. electric vehicle charging station 21.10.2011 IEC/TC 69 IEC

Committee draft

69/201/CD

IEC 61851-23 IEC 61851-23, Ed. 1: Electric vehicle conductive charging system -

Part 23: D.C electric vehicle charging station 01.11.2013 IEC/TC 69 IEC

Final Draft IEC

96/272/FDIS

IEC 61851-24

IEC 61851-24, Ed. 1: Electric vehicle conductive charging system -

Part 24: Digital communication between a dc EV charging station

and an electric vehicle for control of d.c. charging

01.11.2013 IEC/TC 69 IEC Final Draft IEC

69/273/FDIS

IEC 61980-1 IEC 61980-1, Ed. 1: Electric vehicle wireless power transfer sys-

tems (WPT) - Part 1: General requirements 01.11.2013 IEC/TC 69 IEC

Committee draft

for voting

69/256/CDV

IEC 62196-1

IEC 62196-1, Ed. 3: Plugs, socket-outlets, vehicle connectors and

vehicle inlets - Conductive charging of electric vehicles - Part 1:

General requirements

01.08.2013 IEC/SC 23H IEC

Committee draft

for voting

23H/296/CDV

IEC 62196-2

Plugs, socket-outlets, vehicle connectors and vehicle inlets -

Conductive charging of electric vehicles - Part 2: Dimensional

compatibility and interchangeability requirements for a.c. pin and

contact-tube accessories

01.10.2011 IEC/SC 23H IEC International

Standard

IEC 62196-3

IEC 62196-3, Ed. 1: Plugs, socket-outlets and vehicle couplers -

Conductive charging of electric vehicles - Part 3: Dimensional

compatibility and interchangeability requirements for d.c. and

a.c./d.c. pin and tube-type contact vehicle couplers

01.01.2013 IEC/SC 23H IEC

Committee draft

for voting

23H/292/CDV

IEC 62840 IEC 62840 Ed. 1: Electric vehicle battery swap system 01.09.2012 IEC/TC 69 IEC

New work

proposal

69/217/NP

Sicherheit

IEC 61140 IEC 61140: Protection against electric shock - Common aspects for

installation and equipment

01.11.2012

IEC/TC 64

IEC

Committee draft

64/1869/CD

IEC 60529 Degrees of protection provided by enclosures (IP code) 01.08.2013

IEC/TC 70

IEC

International

Standard

IEC 60364-7-722 Requirements for special installations or locations – Supply of

electric vehicles

01.10.2012

IEC/TC 64

IEC

Committee draft

for voting

64/1846/CDV

IEC 17409 ISO/IEC 17409: Electrically propelled road vehicles - Connection to

an external electric power supply - Safety requirements

01.09.2013

IEC/TC 69 IEC

Committee draft

for voting

69/263/CDV

IEC 61508-1 Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic

safety-related systems - Part 1: General requirements 01.04.2010 IEC/SC 65A IEC

International

Standard

ISO 62752 In-Cable Control and Protection Device for mode 2 charging of

electric road vehicles (IC-CPD) 01.12.2013 ISO/TC 22 ISO

Draft international

standard DIS

62752

48

IEC 61000-6

Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 6-1: Generic standards

- Immunity for residential, commercial and light-industrial envi-

ronments

01.03.2005 IEC/TC 77 IEC International

Standard

Kommunikation

ISO 15118-1 Road vehicles - Vehicle to grid communication interface - Part 1:

General information and use-case definition 06.06.2013 ISO/TC 22 ISO

International

Standard

ISO 15118-2 Road vehicles - Vehicle-to-Grid Communication Interface - Part 2:

Network and application protocol requirements 01.11.2013 ISO/TC 22 ISO

Final draft inter-

national standard

FDIS 15118

ISO 15118-3 Road vehicles - Vehicle to grid Communication Interface - Part 3:

Physical and data link layer requirements 01.11.2012 ISO/TC 22 ISO

Draft international

standard DIS

15118-3

IEC 61850-1 Communication networks and systems for power utility automa-

tion - Part 1: Introduction and overview 01.03.2013 IEC/TC 57 IEC

Energieflüsse

IEC 61851 s.o

IEC 61980 s.o

IEC 62196 s.o

Netzintegration

IEC 15118 s.o.

IEC 61850 s.o.

IEC 61968 Application integration at electric utilities - System interfaces for

distribution management 01.10.2012 IEC/TC 57 IEC

International

Standard

IEC 61970 Energy management system application program interface 01.12.2005 IEC/TC 57 IEC International

Standard

Ergonomie

ISO 7000 Graphical symbols for use on equipment 01.01.2014 ISO/TC 145 ISO International

Standard

DIN SPEC 33440 Ergonomic design of user-interface and products for Smart Grid

and Electromobility 01.05.2013 NAErg DIN DIN Spezifikation

49

3 Ladeinfrastruktur in der EU

Im folgenden Kapitel wird der Stand des Aufbaus der europaweiten Ladeinfrastruktur aufgezeigt so-

wie die Bestrebungen der EU dargestellt, den Ladeinfrastrukturausbau voranzutreiben. Es werden

ebenfalls die Unterschiede der Netzstruktur in den EU-Mitgliedsstaaten dargestellt, wodurch Schlüs-

se auf ein einheitliches Konzept gezogen werden. Zuletzt werden bestehende Beispielprojekte aufge-

zeigt, welche die grenzübergreifende Interoperabilität vorantreiben.

3.1 Ausbaustand

Obwohl die Voraussetzungen für das Laden von Elektrofahrzeugen durch das Stromnetz bereits ge-

geben sind, geht die Entwicklung beim Ausbau der Ladepunkte nur langsam voran. Die bisherige

Entwicklung in der EU war von der Unsicherheit darüber geprägt welches System sich durchsetzt.

Dies führte dazu, dass die Mitgliedsstaaten inkompatible Systeme forcierten oder gar nicht investier-

ten, um eine Entscheidung abzuwarten.78

Abbildung 27: Verteilung der Ladepunkte pro 1 Mio. Einwohner79

78

(Europäische Kommission, 2013) S.11 f. 79


50

Es gibt aktuell keine exakte Übersicht über die Anzahl in der EU installierter Ladepunkte. Die meisten

Zahlen (auch die in EU-Berichten) beruhen auf Eintragungen in Online-Ladekarten. Dabei ist oft nicht

zu unterscheiden, ob Ladepunkte oder Ladestationen, welche mehrere Ladepunkte bereitstellen,

aufgelistet sind. Entsprechend variieren die Zahlen stark und können lediglich als Schätzwert dienen.

Die Zahl der zweckgebundenen Ladepunkte wurde in einem Bericht der Europäischen Kommission

auf 26.080 private und 29.800 öffentlich zugängliche AC-Ladepunkte beziffert. In (Eurelectric, 2011)

werden 25.000 Ladepunkte für Europa genannt (dazu auch Abbildung 27). In einem Bericht über die

Auswirkung der Richtlinie für alternative Kraftstoffe (siehe dazu auch Kapitel 3.2), werden 9.276 La-

destationen genannt. Tabelle 14 zeigt einen Schätzwert über den aktuellen Stand der Ladeinfrastruk-

tur in der EU. Dieser ist aus Online-Ladekarten sowie dem Bericht der EU-Kommission ermittelt.

Neben privaten Ladepunkten und Ladestationen von Energieversorgern, Unternehmen oder Kom-

munen, gibt es einige Projekte, deren Ziel es ist, eine Schnellladeinfrastruktur aufzubauen.

SLAM – Schnellladenetz für Achsen und Metropolen

Das (deutsche) Projekt SLAM ist ein Zusammenschluss aus Automobilherstellern (BMW, Daimler,

Porsche, VW), EVUs (EnBW) und Forschungsinstituten (Fraunhofer IAO, IAT Universität Stuttgart,

RWTH Aachen), um deutschlandweit eine Infrastruktur an Schnellladestationen aufzubauen. Bis 2017

sollen insgesamt 400 Schnellladestationen (sowohl AC als auch DC) entlang der Autobahnen und in

Metropolen errichtet werden. Die Stationen nutzen den Combo-2 Stecker und ermöglichen Ladezei-

ten von 30 Minuten.80 In Österreich wird an einem ähnlichen Konzept gearbeitet. Das Projekt ELLA

errichtet Schnellladestationen entlang von Autobahnen. Diese stellen sowohl den Combo-2 als auch

den Chademo-Stecker bereit. Bisher wurden zwei Stationen eröffnet.81

Tesla – Supercharger82

Der Elektrofahrzeughersteller Tesla, arbeitet daran ein weltweites Schnelladenetz aufzubauen. Zur-

zeit besteht das Netz in Europa aus 17 Ladestationen: zwei in Österreich, sechs in Deutschland, zwei

in den Niederlanden, eine in der Schweiz und sechs in Norwegen. Bis Ende 2014 sollen alle Haupt-

städte von Portugal über Frankreich, Großbritannien, den BeNeLux-Ländern, Österreich, Deutsch-

land, Schweiz bis hin nach Skandinavien (Dänemark, Norwegen, Schweden) durch das Netz verbun-

den sein. Tesla-Kunden wird damit ein kostenloser Ladeservice angeboten, der den Akku des Model S

in 40 Minuten auf 80% lädt und in 75 Minuten voll lädt. Die Ladestationen haben zwischen zwei und

zehn Ladepunkte. Tesla verwendet einen eigenen Stecker. Somit können nur Tesla-Kunden diese

Stationen nutzen. Teilweise haben die Stationen auch einen Typ-2 Anschluss für die Wechselstromla-

dung, jedoch sind diese nicht die Regel und nicht unbedingt für das Schnellladen ausgelegt.

80

(Fraunhofer IAO, 2014) 81

(ella.at) 82

(Tesla Motors Inc., 2014)

51

Chademo-Schnelladenetz

Die Chademo-Association arbeitet ebenfalls daran ein Schnelladenetz in Europa aufzubauen. Derzeit

gibt es ca. 1.120 Ladestationen in Europa, bis Ende 2014 sollen es 1.800 werden.83 Vor allem japani-

sche Fahrzeuge nutzen diesen Schnellladestecker.

Tabelle 14: Stand der Ladeinfrastruktur in der EU

Land Geschätzte Anzahl vorhandener Lademög-lichkeiten aus Online-Ladepunktkarten

84

Anzahl vorhandener Lademög-lichkeiten aus EU-Bericht (2013)

85

Belgien 441 188

Bulgarien 20 1

Dänemark 273 280

Deutschland 2.043 1.937

Estland 151 2

Finnland 55 1

Frankreich 2.704 236

Griechenland 9 -

Irland 170 640

Italien 532 1.000

Kroatien 3 -

Lettland - 1

Litauen - -

Luxemburg 41 7

Malta 1 -

Niederlande 4.633 1.700

Norwegen 1.263 -

Österreich 468 489

Polen 43 27

Portugal 462 1.300

Rumänien - -

Schweden 383 -

Schweiz 1.008 -

Slowakei 11 3

Slowenien 9 -

Spanien 429 731

Tschechien 14 23

Ungarn 15 7

Vereinigtes Königreich 1.537 703

Zypern - -

Gesamt 16.718 9.276

83

(Chademo Association, 2014) 84

Ermittelt aus den Ladekarten: openchargemap.org; plugsurfing.co.uk; lemnet.org; chargemap.com 85

(Europäische Kommission, 2013) S.23

52

3.2 Ausbauziele

Die Europäische Kommission hat im Januar 2013 einen Vorschlag für eine „Richtlinie über den Aufbau

der Infrastruktur für alternative Kraftstoffe“ veröffentlicht. Ziel der Richtlinie ist es, einen gemeinsa-

men Rahmen für Maßnahmen, zur Errichtung einer Infrastruktur für alternative Kraftstoffe in der EU

zu schaffen. Hierdurch soll zum einen der Verkehrssektor unabhängiger vom Erdöl, zum anderen

seine Umweltauswirkungen vermindert werden. Im ersten Vorschlag wurden konkrete Zahlen für

den Bedarf an Ladepunkten genannt. Hierbei sollten mindestens zwei Ladepunkte auf ein Elektro-

fahrzeug kommen, wobei 10% der Infrastruktur öffentliche Ladesäulen sein sollten.86 Die Zahlen ba-

sieren auf bestehenden Ausbauzielen der Mitgliedsstaaten. Hierdurch soll eine kritische Masse an

Ladepunkten aufgebaut werden, um Investitionsanreize zu schaffen.

In einer Abstimmung über die Richtlinie (Erste Lesung im April 2014) im Europäischen Rat und dem

Parlament wurde jedoch die Verantwortung, die Anzahl der Elektrofahrzeuge und Ladepunkte festzu-

legen, an die Mitgliedsstaaten weitergegeben, um mehr Flexibilität bei der Einbettung der Ziele in die

nationale Politik zu gewährleisten.87 Eine angemessene Anzahl sei demnach mindestens ein Lade-

punkt auf zehn Elektrofahrzeuge.

Im Rahmen der Richtlinie werden die Mitgliedsstaaten dazu verpflichtet, ein nationales Rahmenpro-

gramm für die Marktentwicklung alternativer Kraftstoffe aufzustellen. Bis 2020 muss eine genügende

Anzahl an Ladepunkten zur Verfügung stehen, um mindestens in Ballungszentren öffentliche Ladeinf-

rastruktur bereit zu stellen. Die Europäische Kommission ist dabei die kontrollierende Instanz. Weiter

werden in der Richtlinie technische Standards festgelegt. Für das Normalladen mit Wechselstrom

wird der Typ-2 Stecker vorgeschrieben, für Schnelladen mit Wechselstrom ebenfalls Typ-2 Stecker

und für Schnellladen mit Gleichstrom der Combo-2 Stecker. Zukünftige Technologien, wie das induk-

tive Laden, aber auch Batteriewechselstationen werden in den nationalen Rahmenprogrammen ex-

plizit nicht ausgeschlossen, um keine technologische Sackgasse zu forcieren. Der bereits vorange-

schrittene Ausbau der Chademo Stecker wird durch die Richtlinie nicht gestoppt88, da die bereits

vorhandene Schnellladeinfrastruktur ohne Nachrüstung oder Übergangszeiten weiter betrieben wer-

den kann. Vorgeschrieben wird lediglich, dass in neuen Schnellladesäulen mindestens ein DC-

Schnelladestecker als Combo-2 Stecker ausgeführt sein muss. Öffentliche Ladepunkte sollen, wenn es

technisch und wirtschaftlich darstellbar ist, mit intelligenten Stromzählern ausgerüstet sein und vor

allem an Transportknotenpunkten wie Bahnhöfen und Flughäfen ausgebaut werden.

Der Markt für den bezogenen Strom ist explizit liberal. Der Ladepunktbetreiber hat die Möglichkeit

den Strom jedes EU-Energieversorgers zu beziehen. Dies gilt speziell auch dann, wenn der Haushalt

86


(Council of the European Union, 2013) 88

(Chademo Association Europe, 2014)

53

oder das Gebäude, in dem die Ladestation steht, bereits einen anderen Anbieter hat. Weiter soll an

allen öffentlichen Ladepunkten ein ad-hoc-Laden möglich sein, ohne einen zusätzlichen Vertrag mit

dem betreffenden Stromanbieter oder Ladepunktbetreiber abschließen zu müssen. Preise müssen

transparent, einfach und klar vergleichbar sowie nicht-diskriminierend für den Verbraucher sein.

Nicht-diskriminierend muss auch der Zugang zur Ladeinfrastruktur für jeden Nutzer sein. Die Mit-

gliedsstaaten haben meist zwei Jahre Zeit die Inhalte der EU-Richtlinien in innerstaatliches Recht

umzusetzen. Die Richtlinie ist für jeden Mitgliedsstaat, an den sie gerichtet wird, hinsichtlich des zu

erreichenden Ziels verbindlich, überlässt jedoch den innerstaatlichen Stellen die Wahl der Form und

der Mittel (Art 288 Lissabon Vertrag).

Einige Mitgliedsstaaten haben bereits konkrete Ausbauziele festgelegt (Tabelle 15). Alle weiteren

Länder müssen bis spätestens 2018 eine Zahl in den nationalen Entwicklungsplänen festlegen.

Tabelle 15: EU-Mitgliedsstaaten mit geplanten Ausbauzielen für Ladepunkte

Land Festgelegt bis 202089

Belgien Öffentlich 35.000 - 130.000

Öffentliche Schnellladepunkte 1.000 - 4.000

Dänemark Öffentlich 20.000

Frankreich Privat 4.000.000

Öffentlich 400.000

Griechenland Öffentlich 6.900

Irland Öffentlich 25.000

Malta Öffentlich 50090

Österreich 4.500 (halb öffentlich)

Portugal Öffentlich 25.000

Vereinigtes Königreich 8.500

Der Ausbau der Ladeinfrastruktur wird oft mit dem historischen Verlauf des Ausbaus an normalen

Tankstellen oder Telefonzellen verglichen. Hierbei wird angenommen, dass der Ausbau der Ladesta-

tionen nicht durchgehend proportional zur Anzahl an Elektrofahrzeugen steigt. In den zwei Analogien

(Tankstellenmarkt, Telefonzellenmarkt) ergab sich ab einem bestimmten Punkt ein Sättigungszu-

stand, der einem Mindestniveau entspricht.91 Es ist anzunehmen, dass in einem Massenmarkt die

steigende Auslastung der Ladepunkte (mehr Ladevorgänge pro Ladepunkt), die Entwicklungen der

Batterietechnologien (längere Ladevorgänge pro Ladepunkt) und die zunehmende Verbreitung von

Schnelladesystemen (mehr Kunden pro Zeitintervall) den proportional steigenden Ausbau bremsen

werden.

89


(Malta National Electromobility Platform, 2013) S.61 91

(AG3 Ladeinfrastruktur und Netzintegration der Nationalen Plattform Elektromobilität (NPE), 2012) S.6

In (Frost & Sullivan, 2013) wird

2019 getroffen. Dieses Szenario s

voraus (1.461 induktiv, 2.057 Mo

mistisch einzuschätzen. Basis der

entsprechend des Szenarios in E

31.980 Mode4/DC, 952.829 Mode

Wechselstromleistungen würde d

Vorhersage von 2011 bis 2019.

Abbildung 28: Entw

3.3 Netzvoraussetzungen

Die Infrastruktur für Strom als alt

sche Versorgungsnetz für die Erze

rizität, speziell das europäische V

romobilität. 98-99% aller europäis

3.3.1 Das CIGRE-Referenznetz

Der größte Teil der Elektrofahrze

Speisung in der Ortsnetzstation b

sen. Dieser Bereich wird daher im

92

Nach (Frost & Sullivan, 2013) S.4193

(Eurelectric, 2011)

eine Vorhersage für den Ausbau der Ladeinfrastr

rio sagt für Ende 2014 eine Anzahl von insgesamt 5

Mode 4/DC, 11.970 Mode 3, 38.963 Mode 2) und

der Ergebnisse ist eine ausführliche Marktanalyse

in Europa über 3 Mio. Ladepunkte installiert sein

ode3, 2.032.701 Mode2). Das Laden im privaten B

de dabei die größte Rolle spielen. Abbildung 28 ze

Entwicklung der Ladepunkte bis 2019 nach Frost&Sulliva

ngen im europäischen Vergleich

s alternativen Kraftstoff ist theoretisch bereits vorha

Erzeugung, Übertragung, Verteilung und Kommerzia

e Verteilnetz, bietet die Grundlage für die Ladeinfr

päischen Netznutzer sind an das Verteilnetz angesch

znetz

hrzeuge wird innerhalb des Bereichs von der mitte

n bis zum Hausanschluss als Verknüpfung zum Netz

r im Folgenden genauer betrachtet.

.41

54

rastruktur in Europa bis

t 54.451 Ladepunkten

nd ist damit eher opti-

lyse. Bis 2019 könnten

sein (127.044 induktiv,

n Bereich mit geringen

zeigt den Verlauf der

llivan92

orhanden. Das europäi-

erzialisierung von Elekt-

infrastruktur der Elekt-

eschlossen.93

ittelspannungsseitigen

Netznutzer angeschlos-

55

Verteilnetztopologien sind sehr unterschiedlich, da neben den elektrotechnischen Vorgaben eben-

falls das betrachtete Siedlungsgebiet eine wichtige Rolle spielt. Anhand der verschiedenen Siedlungs-

typen lassen sich auch unterschiedliche Verteilnetztypen definieren, so z.B. Streusiedlungen, Zwei-

familienhaussiedlungen, Reihenhaussiedlungen, Hochhäuser, Blockbebauung etc.. Dabei gibt es ver-

schiedene Netzformen (Abbildung 29). Ringnetze besitzen gegenüber Strahlennetzen eine höhere

Eigensicherheit. Hängen an einem Verteilschrank mehrere Ringnetze, spricht man von einem ver-

zweigten Ring. Wird so ein verzweigter Ring auch von mehreren Transformatoren gespeist, spricht

man von einem Maschennetz. Diese ermöglichen eine größere Versorgungssicherheit (n-1-Kriterium)

und bessere Spannungshaltung, zeichnen sich jedoch auch durch höhere Kosten, höheren Planungs-

aufwand und schwierige Fehlersuche aus. Maschennetze werden bei Lastdichten größer 5 MVA/km²

gewählt. Es werden im Niederspannungsnetz hauptsächlich Kabelleitungen benutzt.94

Abbildung 29: Netzvarianten der Niederspannungsebene95

Von der CIGRE (International Council on Large Electric Systems) wurde ein Modellnetz entwickelt, das

die gemeinsamen Eigenschaften der realen EU-Verteilnetze verbindet und in ein Referenznetz über-

trägt. Dieses CIGRE-Referenznetz wird häufig als Modellgrundlage verwendet, da es sowohl die tech-

nischen Charakteristika als auch die Komplexität von realen Netzen widerspiegelt.96 Dieses Netz ist

als Strahlennetz aufgebaut, welches durch die Verwendung von ein-phasigen Leitungen nicht sym-

metrisch betrieben wird. Die Ortsstation (Transformator Mittelspannung/Niederspannung) hat eine

Scheinleistung von 400 kVA mit einer Regulierungsspanne von ±5 %. Anschlusstyp bzw. Schaltgruppe

94

(Linssen, et al., 2012) S.166 ff. 95

Ebd. S.167 96

(Papathanassiou, et al., 2005) S.1

56

des Transformators ist Dyn11 (Primärspule als Dreieck, Sekundärspule als Stern mit herausgeführtem

Sternpunkt, Phasenverschiebung 330°). Die Schutzeinrichtungen bestehen hauptsächlich aus einfa-

chen Sicherungen. Der Transformator selber ist zur Mittelspannungsebene ebenfalls über eine Siche-

rung geschützt. Als Kabel werden Kupfer oder Aluminium Untergrundkabel verwendet. Die Lastab-

gänge haben eine Länge von 30m und erlauben eine Stromstärke von 40 A. Die Erdung erfolgt nach

IEC 60364. Die eingefügten Lasten unterscheiden sich durch die Anzahl der individuellen Verbrau-

cher. Dem Referenznetz für Wohnbebauung wurden zwei Stränge für Industriebebauung und Ge-

werbebebauung hinzugefügt (Abbildung 30 siehe A6: CIGRE Referenznetz für größere Darstellung). Es

wurden Ebenfalls dezentrale Energieerzeuger und Speicher in das Referenznetz eingefügt (Schwung-

radspeicher/Batteriespeicher, Windturbine, Photovoltaikanlagen, Brennstoffzellen, Mikroturbinen).

Abbildung 30: CIGRE-Referenznetz

97

3.3.2 Vergleich der Netzvoraussetzungen in den EU-Mitgliedsstaaten

Das CIGRE-Referenznetz ist ein Durchschnitt über alle europäischen Netztopologien. Für die konkrete

Einbindung und Umsetzung einer einheitlichen Ladeinfrastruktur der Elektrofahrzeuge in Europa

müssen jedoch auch die Unterschiede in den Netzvoraussetzungen betrachtet werden. Diese variie-

ren je nach Mitgliedsstaat stark. Wichtig sind für die Ladeinfrastruktur vor allem die Kennwerte für

zulässige Spannung, Stromstärke und Schutzeinrichtungen an den Punkten

97

Nach (Papathanassiou, et al., 2005)

57

- im Haus (aufgeteilt in 3- und 1-phasige Systeme)

- am Hausanschluss

- auf der Verbindung zwischen Hausanschluss und Ortsstation

- an der Ortsstation

In Abhängigkeit der Anschlussart (privat, öffentlich, etc.) bestimmen diese Werte sowie der Zustand

des vorgelagerten Netzes, mit welcher Leistung die Fahrzeuge geladen werden können und welche

Sicherheitseinrichtungen zum Einsatz kommen müssen. Ein Großteil der Netze ist zurzeit auf einen

typischen Hausanschluss mit einer Leistung von ca. 2-4 kW ausgelegt. Je nachdem wie schnell gela-

den werden soll, wird dies mit Elektrofahrzeugen jedoch auf Leistungen über 10 kW steigen.98

Im Folgenden werden die wichtigsten Unterschiede zwischen den Mitgliedsstaaten aufgeführt. Eine

ausführliche Tabelle ist dem Anhang zu entnehmen (A1: EURELECTRIC-Tabelle – Vergleich von Netz-

parametern in der EU).99

Frequenz:

Die Netzfrequenz ist als Regelgröße in allen Mitgliedsstaaten einheitlich auf 50 Hz festgelegt.

Spannung:

Die Spannungsebenen sind wie die Netzfrequenz in allen Mitgliedsstaaten gleich. Es gibt im letzten

Verteilnetz zwei Spannungsebenen. Zum einen 400 V als 3-phasige Spannung und zum anderen 230 V

1-phasige Spannung. Lediglich in Kroatien wird teilweise auch 380 V und 220 V bereitgestellt.

Stromstärke:

Die eigentlichen Unterschiede zwischen den Mitgliedsstaaten finden sich in den zulässigen Strom-

stärken und der damit verbundenen Absicherung der Leitungen.

Der kleinste gemeinsame Nenner beim Hausanschluss sind 16 A. Dieser Wert ist auch für die nied-

rigste Stufe des Normmalladens angesetzt (Tabelle 5). Auffällig sind hierbei die Länder Rumänien,

Estland und Italien. Diese operieren teilweise auch mit geringeren Stromstärken. Interessanter für

das Laden von Elektroautos ist jedoch die maximal zulässige Stromstärke, da sich hierdurch höhere

Ladeleistungen und damit geringere Ladezeiten ermöglichen lassen. Hier lassen sich grob zwei Stufen

erkennen. Der Großteil der Mitgliedsstaaten hat eine maximale Absicherung von 63 A (Bulgarien,

Deutschland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Irland, Italien, Österreich, Portugal, Schweden,

Schweiz, Slowenien). Andere Mitgliedsstaaten haben eine niedrigere Stufe bei ca. 30 A (Dänemark,

Kroatien, Lettland, Luxemburg, Niederlande, Rumänien, Tschechien, Ungarn). Im Haus ist in den

meisten Ländern die Stromstärke auf 16 A abgesichert. Ausnahmen sind hier Belgien, Bulgarien, Grie-

chenland, Lettland, Polen, Slowakei, Spanien und Zypern, die auch höhere Stromstärken zulassen.

Die Zuleitung zwischen Ortsstation und Hausanschluss erlauben eine wesentlich höhere Stromstärke.

In vielen Ländern sind hier sogar bis zu 400 A zulässig, weitere Stufen sind bei 250 A und ca. 350 A.

98

(Hable, et al., 2012) S.1 99

(Eurelectric, 2011) S.15 f.

58

Phasen:

In den meisten Ländern wird der Hausanschluss dreiphasig oder drei- und einphasig ausgeführt. Itali-

en und Frankreich stellen jeweils nur eine Phase bereit. Außer in Frankreich, Italien, Niederlande,

Norwegen und Großbritannien kann auch im Haus auf Dreiphasen-Wechselstrom zurückgegriffen

werden. Zwischen Ortsstation und Hausanschluss wird so gut wie in allen Ländern der Strom drei-

phasig übertragen.

Fehlerstromschutzschalter (FI-Schalter):

Der Fehlerstromschutzschalter dient zum Schutz vor Fehlerströmen gegen Erde und ist damit eine

wichtige Sicherheitskomponente. Für die Ladeart Mode 2 ist dieser mit in das Kabel integriert (IC-

CPD), da nicht in allen Fällen das Vorhandensein auf Infrastrukturseite garantiert werden kann. In

vielen Ländern ist der Einbau der FI-Schalter erst seit einem bestimmten Stichtag Pflicht und beste-

hende Einrichtungen wurden nicht nachgerüstet (2009 Dänemark; 2004 Bulgarien; 1995 Finnland,

Lettland, Norwegen, Polen; 1975 Niederlande). In der Slowakei, Tschechien und Ungarn sind FI-

Schalter für gewöhnlich gar nicht vorhanden. Für die Ladeinfrastruktur im privaten Bereich, also an

Haushaltssteckdosen, ist ein weiterer wichtiger Punkt die unterschiedliche Handhabung des Einsteck-

schutzes. In Großbritannien, Finnland, Schweden, Belgien, Frankreich, Italien, Spanien und Portugal

ist der Einsteckschutz im privaten Bereich Pflicht.100

Ortsstationen:

Die Dimensionierung der Ortsstationen ist abhängig vom vorhandenen Netz. Es wird grob zwischen

städtischen und ländlichen Netzstrukturen unterschieden, wobei städtische Stationen oftmals größer

dimensioniert sind, da hier mehr Lasten an einem Transformator hängen als in ländlichen Regionen.

Grundsätzlich können allerdings keine allgemeinen Aussagen zu Transformatorgrößen getroffen

werden. Typisch verwendete Stufen sind 50, 250, 400 und 630 kVA, für städtische Gebiete auch

1.000 kVA. Gleiches gilt für die Anzahl der Hausanschlüsse pro Ortsnetzstation. Meistens variieren

diese von fünfzig bis zu wenigen hundert Anschlüssen.

Es ist wichtig zu beachten, dass es in vielen Ländern selbst intern starke Unterschiede in den Voraus-

setzungen des Verteilnetzes gibt. Folglich müssen regionale Unterschiede im Aufbau der Ladeinfra-

struktur von Fall zu Fall berücksichtigt und an die jeweiligen Gegebenheiten angepasst werden. Die

Aussage der Eurelectric dazu ist:

„However, generalizing the situation across Europe might not be appropriate, as grid charac-

teristics differ significantly among European countries.”101

100

(Eurelectric, 2012) S.12 101


59

3.4 Projekte zur internationalen Vernetzung von Ladeinfrastruktur

Im folgenden Abschnitt werden einige Beispielprojekte aufgeführt, deren Ziel es ist die barrierefreie

Interoperabilität innerhalb der Europäischen Union voran zu treiben.

3.4.1 EU-Projekte102

Die CIVITAS Initiative hilft europäischen Städten bei der Implementierung und dem Test innovativer

und integrierter Strategien zu den Bereichen Energie, Transport und Umwelt. Zurzeit werden 59

Städte unterstützt, die sich in einem jährlichen Forum austauschen, um Erkenntnisse zu teilen.

Das 7. Rahmenprogramm für Forschung und Technologienentwicklung unterstützt Forschung im Be-

reich der alternativen Kraftstoffe und deren Anwendung in den Bereichen Transport und urbaner

Mobilität. In diese Bereiche fallen neue Fahrzeuggenerationen, neue Mobilitätskonzepte, saubere

Transportkonzepte, Bedarfsmanagement sowie Werkzeuge, um Strategieentwicklung und Implemen-

tierung zu unterstützen.

Das Projekt EIP (European Innovation Partnership Smart Cities and Communities) hilft Städten, Kom-

munen, Unternehmen und Gesellschaften Smart-City-Lösungen in großem Maßstab schnell zu im-

plementieren. Smart-City bedeutet, dass die Bereiche Energie, Transport und IKT (Informations- und

Kommunikationstechnik) hier vernetzt betrachtet werden, um Dienstleistungen zu verbessern und

Umweltbelastungen sowie den Energieverbrauch zu reduzieren.

Das Intelligent Energy Europe Programme (STEER) unterstützt die nachhaltige Nutzung von Energie

im Transportsektor (Effizienzsteigerung, neue und erneuerbare Kraftstoffe, alternative Antriebe). Der

Fokus liegt bei alternativen Antrieben, Strategieentwicklung für eine effiziente Nutzung der Energie

und Stärkung des Know-Hows lokaler Behörden im Bereich Transport.

3.4.2 Roamingplattformen in der EU

E-clearing.eu103 und Treaty of Vaals

E-clearing.eu ist eine E-Roamingplattform, die Ladestationen in Belgien, den Niederlanden und

Deutschland verbindet. Gestartet hat die Kooperation mit den Mitgliedern ladenetz.de (Deutsch-

land), Blue Corner (Belgien) und e.laad.nl (Niederlande). Zur Klärung der Abrechnung wurde ein eige-

nes System, das Open European Clearing House System (eCHS) und ein eigenes Protokoll, das Open

Clearing House Protokoll (OHCP) als Kommunikationsbasis, benutzt. Mit Hilfe des Protokolls werden

alle relevanten Daten zwischen den Partnern ausgetauscht (z.B. Authentifizierungsinformationen,

Informationen über Ladevorgang, geographische Koordinaten und Lage aller Ladestationen). Insge-

samt enthält das Netzwerk 6.800 Ladepunkte.

102

(Europäische Kommission) 103

(e-Clearing Smartlab)

60

Im Treaty of Vaals, vom März 2012, wurde die Roamingplattform e-clearing.eu erweitert. Weitere

fünf Partner haben sich der Kooperation angeschlossen und einen Quasistandard für europäisches E-

Roaming erstellt. Diese sind: Becharged (Belgien), Estonteco (Luxemburg), Vlotte (Österreich),

ESBeCars (Irland) und Inteli (Portugal).

Hubject, Intercharge

Hubject ist ein Joint Venture der Unternehmen BMW, Daimler, RWE, Bosch, EnBW und Siemens.

Dieses Projekt betreibt E-Roaming über die Plattform Intercharge und verbindet europaweit Mobili-

tätsanbieter, Ladestationsbetreiber und Nutzer. Das Unternehmen PlugSurfing GmbH bietet seit Juni

2014 eine Smartphone App an, über die Ladestationen gefunden und der Ladevorgang abgerechnet

werden können. Im Rahmen von Intercharge können die Ladestationen der Partner EnBW, Belectric,

Intercharge und RWE genutzt werden. Der Ladevorgang wird über die App in Verbindung mit einer

Kreditkarte abgerechnet.104 Das Netzwerk wurde 2014 mit E-Roaming-Partnern in Frankreich (Gireve

SAS)105 und Skandinavien106 (EVU Fortum) erweitert. Die Intercharge-Partner nutzen das Open Inter-

Charge Protocol (OICP). Im März 2014 startete die Hubject GmbH mit einer emobility-

Zertifizierungsstelle, welche Stammzertifikate zur Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladeinfra-

struktur vergibt. Diese Zertifikate dienen als Fahrzeug-IDs und werden für Plug&Charge und das ge-

steuerte Laden nach ISO/IEC 15118 verwendet.107

3.4.3 eMI³108

Die eMobility ICT Interoperability Innovation Group (eMI³) ist eine Interessengruppe unter der Koor-

dination von ERTICO-ITS Europe. Ziel ist es, Interoperabilität durch Standardisierung (Informations-

und Kommunikationsdaten, Formate, Interfaces, Austauschmechanismen), einheitliche sektoren-

übergreifende Implementierung sowie Projektunterstützung voranzutreiben. eMI³ bietet Fahrzeug-

herstellern, Elektrotechnik, Ladepunktbetreibern, Lieferanten, Dienstleistern sowie Forschung und

Entwicklung eine Plattform zum Austausch. Die Aufgaben werden in fünf Arbeitsgruppen aufgeteilt

(Use Cases & Services, Architecture & Interfaces, Business Objects & Identification, Stakeholder Ma-

nagement & Liaison & Organisation, Charge Station Communication Protocol). Speziell die Arbeits-

gruppe Charge Station Communication Protocol arbeitet daran einheitliche Kommunikationsproto-

kolle für alle Beteiligten zu entwickeln und zu implementieren.

104

(PlugSurfing) 105

(Elektroniknet.de) 106

(bizzenergytoday.com) 107

(Hubject GmbH, 2014) 108

(eMI³)

61

3.4.4 Online-Karten für Ladestationen

Es existiert ein breites Angebot an Online-Karten, in denen Ladepunkte eingetragen werden können.

Hiermit kann zum einen Nutzern von Elektrofahrzeugen geholfen werden, geeignete Ladepunkte in

ihrer Nähe oder auf ihrer Reiseroute zu finden, zum anderen dienen diese Karten zur Datensamm-

lung über den Ausbau der Ladeinfrastruktur. In den Karten können alle Nutzer Informationen über

Ort und Eigenschaften (privat/öffentlich, Leistung, Abrechnung, etc.) der Ladepunkte eintragen. Die

Online-Karten können mit Navigations- oder Buchungssystemen kombiniert werden und sind darüber

hinaus auch als Smartphone-App nutzbar. Hierdurch kann die Reichweitenangst und der

Restreichweitensicherheitspuffer der Nutzer gesenkt werden.109 Allein in Europäischen Ländern exis-

tieren über 30 verschiedene Kartenanbieter. In (Lilley, et al., 2013) werden einige der Web-Seiten

aufgelistet und beschrieben. Aus den aufgelisteten Seiten werden folgend die wichtigsten Online-

Karten aufgeführt:

Tabelle 16: Online-Karten für Ladestationen

Link Beschreibung

http://plugsurfing.co.uk

- Informationen über Ort, Zugang und Bezahlung

- Geeignet für GB, Niederlande, Deutschland, Norwegen,

Schweiz, Österreich, Bulgarien und Dänemark

- Kontaktmöglichkeit zum Ladepunktbetreiber

http://chargemap.com - Geeignet für EU und USA

- Filteroptionen für Steckertypen und Leistung

http://openchargemap.org/site

- Globale Sammlung von Ladepunkstandorten

- Zusätzliche Informationen über Schnellladepunkte

- Kontaktmöglichkeit zum Ladepunktbetreiber

http://lemnet.org/de/

- Filteroptionen für Zugang, Anschluss und Sonstiges

- Möglichkeit zur Routenplanung

- Geeignet für EU

109

(Lilley, et al., 2013) S.2

62

4 Konzept zur barrierefreien Ladeinfrastruktur in der EU

Nach der Beschreibung des technischen Systems Ladeinfrastruktur und der Recherche des aktuellen

Ausbaustands in der EU in den vorangegangenen Kapiteln wird nun folgend ein Konzept entwickelt,

wie eine einheitliche Ladeinfrastruktur gestaltet sein könnte. Dabei ist zu beachten:

„Eine ideale Lösung mit einem einzigen Standard für alle Anwendungen ist faktisch nicht mög-

lich. Vielmehr wird es eine Auswahl an Methoden, angepasst an die verschiedenen Fahrzeugty-

pen, Ladesituationen und Umgebungsbedingungen, geben.“110

4.1 Chancen und Barrieren - Problemidentifizierung

Aus dem in den vorangegangenen Teilen der Arbeit recherchierten, aktuellen Stand der Technik las-

sen sich die Chancen und Barrieren einer europaweit vernetzten Ladeinfrastruktur identifizieren.

Da der Ausbau der Ladeinfrastruktur mit dem Ausbau der Elektromobilität eng verknüpft ist, sind die

Chancen der Ladeinfrastruktur gleichzeitig Chancen der Elektromobilität im Allgemeinen. Bei den

Barrieren gilt ähnliches in Bezug auf die Zuordnung zwischen Ladeinfrastruktur und Elektromobilität.

Einige der Punkte lassen sich jedoch hierbei auch klar der Infrastruktur zuordnen.

Chancen:

- Reduzierung lokaler Emissionen

- Steigerung der Energieeffizienz

- Reduzierung des verkehrsbedingten CO2-Ausstoßes

- Verbreiterung der Ressourcenbasis und Nutzung erneuerbarer Energien

- Senkung der Mobilitätskosten

- Synergieeffekte zwischen E-Fahrzeugen und Energieversorgungssystem

- Wettbewerb und Marktentwicklung durch Systemdienstleistungen

- Rückgriff auf bereits vorhandene Versorgungsnetze (vorhandenes Stromnetz, Hausanschlüs-

se, etc.)

Barrieren:

- Koordinierungsproblem (Henne-Ei-Problem, Dead-Lock-Situation)

- Bereitstellung flächendeckender Ladeplätze mit steuerbarer, intelligenter Ladetechnik ist

kostenintensiv

- Batterieentwicklung

- Lange Ladezeiten

- Inselbildung durch Modellregionen

- Überführung der Forschungsergebnisse aus den Modellregionen in sich selbsttragende Kon-

zepte

110

(Focus Group on European Electro-Mobility, 2011)

63

- Verschiedene Anbieter, die untereinander nicht kooperieren (z.B. viele verschiede Ladekar-

ten)

- Verschiedene Netzvoraussetzungen (Hausanschlüsse)

- Einheitliche Lade-, Verbindungs- und Abrechnungstechnik

- Soziokulturelle Barrieren

- Netzbelastung bei hoher Durchdringung von Elektroautos

- (Steckerfrage)

4.2 Hierarchische Zielentwicklung und Systemabgrenzung - Problemstruk-

turierung

In diesem Kapitel werden Bewertungsziele in einem hierarchisch gegliederten Zielsystem sowie die

Systemgrenzen des Konzepts erarbeitet. Im Anschluss werden die Ziele und ihre Gewichtungen un-

tereinander festgelegt. Danach werden Wertetabellen aufgestellt, um eine möglichst offene Bewer-

tung der Alternativen durchzuführen. Aus dieser Bewertung ergeben sich Nutz- bzw. Präferenzwerte,

welche eine Rangfolge der Komponenten für die Zielerreichung ergeben.

Mit Hilfe der hierarchischen Zielentwicklung können Anforderungen und Zielvorgaben der Konzep-

tionierung systematisch in Funktionen, und im Anschluss daran auch in Lösungsmöglichkeiten, über-

führt werden. Dabei werden, ausgehend von einem Oberziel, Unterziele sowie Attribute und Alterna-

tiven entwickelt (Top-Down-Methode). Auf der letzten Ebene sollen sich die Funktionen, auf denen

der morphologische Kasten und die darauf folgende Bewertung aufbauen, ergeben. Abbildung 31

zeigt die schematische Aufstellung der Ziele. Oberziel ist ein einheitliches Konzept zur barrierefreien

Ladeinfrastruktur in der EU. Dieses Konzept soll die Anforderungen an Interoperabilität, Netzintegra-

tion, Nutzerfreundlichkeit, und wirtschaftliche sowie politische Rahmenbedingungen erfüllen. Inter-

operabilität ergibt sich aus der Kombination verschiedener technischer Funktionen wie einheitliche

Kommunikationsprotokolle, Authentifizierungs- und Autorisierungsarten, welche das Laden an anbie-

terfremden Stationen ermöglichen, einheitliche Schnittstellen (Steckertyp, Ladeart), Datenerfassung

von elektrischen und energiewirtschaftlichen Kennwerten, Nutzerinformationen und nicht zuletzt

einem einheitlichen Rechnungs- und Bezahlsystem. Durch die Kombination dieser technischen Vari-

ablen soll ein möglichst hohes Maß an Interoperabilität und Kompatibilität mit Fahrzeugen, Abrech-

nungsarten, Authentifizierungsarten und Ladearten erfüllt werden.

64

Abbildung 31: Hierarchische Zielentwicklung - barrierefreie Ladeinfrastruktur

Konzept für barrierefreie

Ladeinfrastruktur in Europa

Inter-operabilität

Technische Funktionen

Kompatibilität zu zukünftigen Elementen

einheitliche Kommunikation

(Nutzer, Fahrzeug, EVU)

Authentifizierung und Autorisierung

Ladevorgang (Ladeart, Steckertyp

etc.)

Datenerfassung (Energie)

Datenerfassung (Nutzerinformation

en)

Rechnungs- und Bezahlsystem

Netzintegration

G2Veinseitige

Steuerung des Ladevorgangs

V2Gbidirektionaler,

gesteuerter Energiefluss

Gebäude-integration

Einbindung in Smart Home -Systeme

Nutzer-freundlichkeit

Geschwindig-keit

Leistung

Sicherheit

elektrische Sicherheit

funktionale Sicherheit

Bedienung einheitliche Symbole

Ergonomie

Verfügbarkeit

Reserviersystem

Zugang (Zufahrt etc.)

Kosten

Anschaffung

Betrieb

Aufrüstung

65

Ein weiteres wichtiges Ziel ist es, die Elektromobilität als Teil eines Smart-Grids zu sehen. Eine geeig-

nete Netzintegration sollte gewährleistet sein, um die Akkus der Fahrzeuge als Teil einer auf erneu-

erbare Energien ausgelegte Energieerzeugung einsetzen zu können. Auch wenn erst ab einer höhe-

ren Durchdringung an Elektrofahrzeugen mit signifikanten Einflüssen auf das Energiesystem zu rech-

nen ist, sollten die Voraussetzungen bereits jetzt in Betracht gezogen werden, um teure Nachrüstun-

gen zu vermeiden. Grid to vehicle (G2V) bedeutet die einseitige Steuerung des Ladevorgangs. Hierbei

kann der Ladevorgang des Elektrofahrzeugs zeitlich verschoben, angehalten und fortgesetzt werden,

um den Verbrauch im Netz optimaler an die Erzeugung anzupassen. Vehicle to Grid (V2G) ist der

nächste Schritt des intelligenten Ladens, bei dem auch das Rückspeisen von Strom aus dem

Fahrzeugakku in das Netz ermöglicht wird. Speziell auch bei der Integration in Smart-Home-Systeme

spielt das Thema Demand-Side-Management eine wichtige Rolle.

Ein weiteres Unterziel ist die Nutzerfreundlichkeit der Ladeinfrastruktur. Geschwindigkeit der Wie-

deraufladung, elektrische und funktionale Sicherheit (Schutz vor Umwelteinflüssen an allen Aufstel-

lungsorten), einfache Bedienung durch einheitliche Symbole und geeigneter Ergonomie (intuitive

Benutzung) und die Verfügbarkeit der Ladeinfrastruktur (diskriminierungsfreie Nutzung) sind wichtig

für die Akzeptanz bei den Nutzern.

Zuletzt ist auch die Frage nach den Kosten ein wichtiger Zielpunkt des Konzeptes. Diese teilen sich

auf in die Anschaffung der Ladeinfrastruktur, den Betrieb derselben sowie gegebenenfalls Aufrüstun-

gen, um zusätzliche Funktionen zu ermöglichen wie beispielsweise eine höhere Anschlussleistung

oder Umrüstung zur Smart-Grid-Integration.

Einige der aus den Zielen entwickelten Anforderungen werden aus verschiedenen Gründen nicht in

die Bewertung eingeschlossen. Diese Komponenten sind für die Zielerreichung zwar als Rahmenbe-

dingungen oder Voraussetzungen wichtig, jedoch sind sie nicht als variable Systemkomponenten zu

sehen. In Abbildung 31 werden diese gestrichelt dargestellt (siehe dazu auch 4.3).

In Folge der Entwicklung der Ziele des Konzepts ergeben sich die Systemgrenzen und Schnittstellen

desselben (Abbildung 32). Die Schnittstelle der Infrastruktur zum Fahrzeug ist der Ladestecker, die

zum Verteilnetz der Netzanschluss. Zum Nutzer hin ist die Schnittstelle die Bedienung und das ent-

sprechend Bedieninterface. Zum Betreiber der Ladeinfrastruktur ist die Schnittstelle das vorgelagerte

Backend-System. Durch Netzanschluss, bzw. den Netzbetreiber, das Backendsystem und den Ladeinf-

rastrukturbetreiber wird auch die Schnittstelle der Ladeinfrastruktur zum Energiehandel definiert.

Weiter wird in dem Konzept nur das öffentliche Laden betrachtet, wobei auch Schlüsse auf Laden in

halböffentlichen Räumen gezogen werden können. Hierdurch fällt der Teil der Gebäudeintegration

weg. Das Clearing, die anschließende personalisierte Zuweisung der Abrechnungsdaten, wird aus

dem Konzept außen vor gelassen. Hier befindet sich also die Schnittstelle zwischen Infrastrukturbe-

treiber, Nutzer und Abrechnungsdienstleister. Ebenfalls wird das zwar zukünftig wichtiger werdende

66

induktive Laden, wegen der aktuell für Massentauglichkeit noch nicht voll ausgereiften und mit ho-

hen Kosten verbundenen Systeme, weggelassen.

Es wurden vier übergeordnete Kriterien festgelegt, an denen sich die Bewertung orientieren soll:

1. Betrachtung des technischen Systems Ladeinfrastruktur

2. Erweiterbarkeit auf zukünftige Technologien

3. Möglichkeit der Einbindung in bestehende Systeme

4. Möglichst geringe Kosten

Abbildung 32: Schnittstellen des Ladeinfrastrukturkonzepts

Lade-infrastruktur

Fahrzeug

Verteilnetz

Ladestationsbetreiber

Nutzer

Stecker

Ne

tzansch

luss

Backend-System

Be

die

nin

terf

ace

Energie-

handel

Öffentliche Ladeinfrastruktur

67

4.3 Morphologischer Kasten Ladeinfrastruktur - Problemstrukturierung

Tabelle 17 zeigt den für die Bewertung entwickelten morphologischen Kasten des Konzeptes. Es wer-

den den Anforderungen aus der Zielentwicklung (Spalten) Funktionen gegenübergestellt (Zeilen). Der

vollständige morphologische Kasten befindet sich im Anhang (A2: Morphologischer Kasten).

Tabelle 17: Morphologischer Kasten Ladeinfrastruktur (Variable Systemkomponenten)

Anforderung Funktion

Technische Funktion

einheitliche

Kommunikation

(Nutzer, Fahr-

zeug, EVU)

OCPP (Ladesäule) Smart Charge Communication Protocol nach ISO 15118

Komm. Station -

Fahrzeug PLC (EVSEID, EMAID) Signaling PIN keine

Komm. Station -

Netz PLC GSM GPRS LAN Seriell (RS485) keine

Ladeart Mode 1 Mode 2 Mode 3 Mode 4

Steckertyp Typ 1* Typ 2 Typ 3* Combo 1* Combo 2 Chademo

Authentifizierung RFID NFC

Park-

scheinau-

tomat

Smart-

Card/EC Schlüssel PIN-Code

PLC

(Plug&Char

ge, EVSEID,

EMAID)

Telefon-

hotline SMS

web-

basiert

(App)

Autorisierung Backendserver (nicht

roamingfähig) Whitelist Backendserver (roamingfähig)

keine bzw. permanente (white

line)

Datenerfassung

(Energie)

elektronischer Haus-

haltszähler EDL 21 (AMR)

eHZ mit Multi Utility

Communication EDL 40

(AMM)

Ferrariszähler (mecha-

nisch)* direkte Anbindung indirekte Anbindung

Datenerfassung

(Nutzerinforma-

tionen)

Ladepunktmanagementsystem Nutzermanagementsystem

Rechnung und

Bezahlsystem

EC (Kartenle-

ser, Quittung,

Verschlüsse-

lung)

Barzahlung

(Münz &

Schein, Quit-

tung, keine

Verschlüsse-

lung)

RFID Eigen-

kunde (RFID-

Leser, keine

Quittung,

Rechnung

Provider, OCPP

zum Backend,

kein Roaming)

RFID Fremd-

kunde (RFID-

Leser, keine

Quittung,

Rechnung

Provider, OCPP

zum Backend,

Roaming)

Mobilfunk-

vertrag

Pro Kilowatt-

stunde Pro Zeiteinheit

Pro Ladevor-

gang

Geschwindigkeit

Anschlussleistung automatische

Leistungsanpassung

kontinuierliche

Anschlussleistung

Level 1 (AC) (1-

phasig)

Level 2 (AC) (3-

phasig)

Level 3 (AC) (Hoch-

leistung)

Level 3 (DC) (Hoch-

leistung)

Netzintegration

einseitige Steue-

rung des Lade-

vorgangs

Load Controller zeitversetzt nicht zeitversetzt

bidirektionaler,

gesteuerter

Energiefluss

eHZ mit Multi

utility communi-

cation EDL 40

Load Controller

PLC (IEC 61851)

low Level Kom-

munikationsprot

okoll

ISO 15118 high

level Kommuni-

kationsprotokoll

CSCC Charging

Station Control

Center

Bidirektionaler

Umrichter

Gateway Control-

ler

Einbindung in

Smart-Home-

Systeme*

Smart Charge Communication Protocol nach ISO 15118*

*kann von Bewertung ausgeschlossen werden

Einschränkung der Lösungskombinationen

Da im Rahmen dieser Arbeit die öffentliche Ladeinfrastruktur behandelt wird, wird die Ladeart nach

Mode 1 ausgeschlossen. Auch bei den Steckertypen werden im Sinne der europäischen Richtlinie die

Stecker Typ-2 und Combo-2 favorisiert. Auf Grund der bereits vorhandenen Infrastruktur werden

jedoch der Stecker Typ-1 und der Chademo mit in die Bewertung aufgenommen. Ausgeschlossen

werden der Stecker Typ-3 und Combo-1.

Der mechanische Haushaltszähler

ronische Haushaltszähler (eHZ) au

Abbildung 33 zeigt die in 4.2 berei

Sie können bereits durch Normen

gungen für elektrische und funktio

sie entsprechen den vorher gewäh

Abbildung 33: Einschrä

Durch einen modularen Aufbau de

onen und die dafür benötigten Ko

kann durch einheitliche Kommun

sierter Schnittstellen und Kommun

Anforderungen an elektrische un

bedingungen vorgegeben. Hierdu

und gehören damit auch nicht di

Funktion der Ladeinfrastruktur erg

Schutzklasse für öffentliche Lades

dicht, vollständiger Schutz gegen

geringere Schutzklasse und bede

mm, geschützt gegen Zugang mit

Kompatibilität zu zukünftigen Elem

•modularer Aufbau

Elektrische Sicherheit

•Fehlerstromschutz

•Spannungsfreischaltung

•Überspannungsschutz

•Leistungsschutzschalter

•Ladecontroller

Funktionale Sicherheit, Vandalism

•Schutzklasse IP67

•Schutzklasse IP44

einheitliche Symbole

•Piktogramme nach DIN ISO 7000

Ergonomie

•DIN SPEC 33400

Verfügbarkeit

•Reserviersystem (Forschungsbedarf)

•Zugang (Barrierefreiheit, Parkraumbew

Kosten

•Anschaffung

•Betrieb

•Aufrüstung

hler (Ferrariszähler) soll aufgrund EU-rechtlicher Um

) ausgeschlossen werden.

ereits erwähnten Einschränkungen aufgrund von Ra

men oder durch Richtlinien festgelegt sein (technisc

nktionale Sicherheit), es besteht noch zu großer Fors

wählten Bewertungsvorgaben (z.B. Kosten).

chränkungen durch Rahmenbedingungen und Vorausset

u der Komponenten in der Ladesäule ist es möglich

n Komponenten hinzuzufügen. Die Funktion der Mo

munikation geschaffen werden, also durch die Verw

munikationsprotokolle.

und funktionale Sicherheit werden durch die tech

erdurch werden bestimmte Komponenten in jeder

t direkt zu den variablen Systemkomponenten. Die

r ergibt sich aus der Auswahl der Systemkomponent

adestationen ist abhängig vom Aufstellungsort. IP 6

gen Berührung, Schutz gegen zeitweiliges Untertau

edeutet: geschützt gegen feste Fremdkörper mit D

mit einem Draht, Schutz gegen allseitiges Spritzwass

lementen

lismussicherheit

bewirtschaftung, Datenerfassung Parkfläche)

68

Umstellung auf elekt-

n Rahmenbedingungen.

nische Anschlussbedin-

Forschungsbedarf oder

ssetzungen

lich, zusätzliche Funkti-

Module untereinander

Verwendung standardi-

technischen Anschluss-

der Ladesäule verbaut

. Die Sicherstellung der

nenten. Die Wahl der IP

IP 67 bedeutet: staub-

rtauchen. IP 44 ist eine

it Durchmesser ab 1,0

wasser. Die Möglichkei-

69

ten für die Verwendung einheitlicher Symbole und Grundsätze der Ergonomie wurden bereits in

2.8.5 dargestellt. Barrierefreier Zugang und die zugehörige Parkraumbewirtschaftung sind ebenfalls

abhängig vom Aufstellungsort. Auch die Verfügbarkeit kann nicht durch bestimmte Bauteile der La-

deinfrastruktur realisiert werden. Im Bereich der Reserviersysteme und der dafür nötigen Datener-

fassung über den Zustand der Parkfläche bestehen noch zu viele offene Fragen und Forschungsbe-

darf, um hier einen einheitlichen Vorschlage für Ladeinfrastruktur auf EU-Ebene treffen zu können.

Aktuell wird bei Ladesäulen eine sogenannte ad-hoc Reservierung fokussiert. Dabei kann ein aktuell

freier Ladepunkt von einem Nutzer ab sofort reserviert werden. Die entsprechenden Informationen

werden über das Backend-System mittels OCPP an die Ladestation weitergegeben. Die Reservierung

entspricht dabei einer Sperre des Ladepunktes, die nur vom reservierenden Nutzer aufgelöst werden

kann. Somit ist sichergestellt, dass der Ladepunkt beim Eintreffen des Nutzers frei ist. Das Problem ist

dabei jedoch, dass kein weiterer Nutzer ab dem Zeitpunkt der Reservierung den Ladepunkt nutzen

kann, auch wenn dieses erst in einigen Stunden nötig ist.

Die Ladeinfrastrukturkosten wurden als höher geordnetes Bewertungsziel festgelegt und fallen daher

aus der Bewertung heraus.

Aus der untersten Ebene aus Abbildung 31 wurde der morphologische Kasten bestehend aus den

variablen Systemkomponenten entwickelt (Tabelle 17).

70

4.4 Ergebnisse der Bewertung nach Nutzwertanalyse und Quality-

Function-Deployment - Modellbildung

Gewichtungsfaktoren

Zunächst werden den Anforderungen Gewichtungsfaktoren zugeordnet

Tabelle 18: Gewichtungsfaktoren

Anforderung Gewichtungsfaktor

Kompatibilität zu zukünftigen Elementen 4

einheitliche Kommunikation (Nutzer, Fahrzeug, EVU) 4

Komm. Station - Fahrzeug 2

Komm. Station - Netz 3

Ladeart 2

Steckertyp 1

Authentifizierung 2

Autorisierung 2

Datenerfassung (Energie) 1

Datenerfassung (Nutzer) 1

Rechnung und Bezahlsystem 2

Anschlussleistung 3

einseitige Steuerung des Ladevorgangs 1

bidirektionaler, gesteuerter Energiefluss 2

Tabelle 18 zeigt die Vergabe der Gewichtungsfaktoren hinsichtlich ihres Einflusses auf die überge-

ordneten Bewertungskriterien (0 (--), 1 (-), 2 (neutral), 3(+), 4 (++)). Dabei haben einheitliche Kom-

munikationsschnittstellen und -protokolle die höchsten Gewichtungsfaktoren da hierdurch mit gerin-

gem Kostenaufwand Interoperabilität und Barrierefreiheit geschaffen werden kann und diese einfach

in bestehende Systeme übernommen werden können. Die Kommunikation zwischen der Ladestation

und dem Backendserver hat hier einen höheren Stellenwert als die Kommunikation zwischen Lade-

station und Fahrzeug. Die Möglichkeit eines bidirektional gesteuerten Energieflusses wird einem

ungesteuerten oder unidirektionalen Energiefluss vorgezogen, ist jedoch mit höheren Kosten ver-

bunden und erhält daher nicht einen höheren Gewichtungsfaktor. Durch die Empfehlung der EU-

Richtlinie für alternative Kraftstoffe für die Verwendung des Typ-2- und des Combo-2-Steckers wird

diese Anforderung ebenfalls geringer gewichtet.

Punktevergabe

Die Bewertung der Funktionen wurde mit den Werten 0,1,3 und 9 vorgenommen. Die komplette

Tabelle der NWA/QFD mit Auflistung der Punktevergabe und der Gewichtungsfaktoren befindet sich

im Anhang. Die Lösungskombinationen wurden in verschiedene Teilbereiche zusammengefasst:

- Bereich Kommunikation (A3: Bewertungstabelle Teil 1)

- Bereich Laden (A3: Bewertungstabelle Teil 1)

- Bereich Freischaltung und Freigabe (A4: Bewertungstabelle Teil 2)

- Bereich Datenerfassung für Energie und Nutzer (A4: Bewertungstabelle Teil 2)

- Bereich Rechnung und Bezahlsystem (A5: Bewertungstabelle Teil 3)

- Bereich Netzintegration (A5: Bewertungstabelle Teil 3)

71

Bereich Kommunikation

Im Bereich der Kommunikation wird zwischen der Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladestati-

on, sowie zwischen Ladestation und dem vorgelagerten Systemen unterschieden. Die Protokolle

OCPP und das Smart Charge Communication Protocol nach ISO 15118 sind für die Kommunikation

entscheidend, da sie in den am höchsten gewichteten Bereichen Kompatibilität und einheitliche

Kommunikation einen hohen Stellenwert einnehmen. Für einen bidirektionalen Energiefluss soll

ebenfalls der Standard ISO 15118 verwendet werden. Eine Powerline-Communication kann als Über-

tragungstechnik sowohl zwischen Fahrzeug und Station als auch zwischen Station und vorgelagertem

System benutzt werden und ist kompatibel zu bestehenden Systemen. Zurzeit erfolgt die Kommuni-

kation zwischen Station und vorgelagertem System meist über GSM/GPRS. Dies hat den Vorteil, dass

die Station über ein drahtloses Netz mit dem Backendsystem verbunden ist und dadurch unabhängig

von Kabelstörungen ist. Die Methode, einen Signal-Pin zu schicken, ist einfacher als ein Powerline-

Communication-Modul. Über letzteres wird jedoch die Möglichkeit offen gelassen, umfangreichere

Datenpakete für die mögliche Netzintegration zu übertragen und eine einheitliche Kommunikations-

technik für alle Bereiche zu verwenden.

Bereich Laden

Die Verwendung der Stecker Typ-2 und Combo-2 werden von der EU als Standard festgelegt. Daher

sollten für eine einheitliche Ladeinfrastruktur in den Mitgliedsstaaten auch diese für den jeweiligen

Zweck (Wechsel- und Gleichstromladung) verwendet werden. Durch die Verankerung in der Richtli-

nie für alternative Kraftstoffe ist davon auszugehen, dass in der EU zukünftige kabelgebundene Lade-

systeme diese Stecker benutzen.

Nicht außer Acht zu lassen sind allerdings auch die bereits vorhandene Chademo-Infrastruktur und

die in vielen Fahrzeugmodellen verbauten Typ-1 Adapter. Die Verwendung dieser Stecker wird durch

die Richtlinie nicht untersagt. Es muss also von Fall zu Fall entschieden werden, ob zusätzlich zu den

vorgegebenen Typ-2 und Combo-2 Anschlüssen weitere Steckeranschlüsse bereitgestellt werden.

Die Leistung, mit der geladen wird, bestimmt direkt die Geschwindigkeit der Ladung. Anzustreben ist

für öffentliche Ladeinfrastruktur eine möglichst hohe Ladeleistung, um auch in kurzen Verweildauern

des Fahrzeugs den Akku weit aufladen zu können. Dies spricht für Level 3 AC-Ladung und Level 3 DC-

Ladung (Mode 3 und Mode 4). Aufgrund der Unterschiede im europäischen Verteilnetz ist es jedoch

nicht möglich, eine einheitliche Empfehlung zu geben. Je nach Aufstellungsort variiert die maximal

mögliche Ladeleistung. Eine automatische Leistungsanpassung durch Leistungselektronik ist für ein

einheitliches System sinnvoll. In Kapitel 2.7 wurde für das öffentliche Laden ein Schnellladen mit ei-

ner Leistung von 11,1 - 43,6 kW als die ökonomisch sinnvollste Lösung ermittelt.

72

Bereich Freischaltung und Freigabe

Etabliert hat sich bei vielen Ladestationsbetreibern die Verwendung von RFID-Karten zur Freischal-

tung der Ladestation. Hierbei werden zu der Ladekarten-ID die dazugehörigen Nutzerdaten auf dem

Backendserver des Mobilitätsanbieters oder Ladestationsbetreibers, bzw. die Information über die

Berechtigung die Ladestation nutzen zu dürfen, hinterlegt. Dies ist praktikabel für den Nutzer. Aller-

dings vergibt aktuell jeder Ladepunktbetreiber seine eigenen Identifikationsnummern, wodurch der

Nutzer jeweils eine separate Karte benötigt. Um dies zu verhindern, wird ein Backendserver benötigt,

der roamingfähig ist, sodass die Nutzer-ID auch an Ladestationen von Fremdanbietern erkannt wird.

IDs sollten auf die einheitlichen EVSEIDs und EMAIDs formatiert werden, eine europäische Abstim-

mung ist dabei wichtig. Praktikabler ist hier ebenfalls die Verwendung von PLC. Hierdurch kann eine

automatische Authentifizierung, Autorisierung und der Start des Ladevorgangs mit Einstecken des

Steckers erreicht werden. Das Plug&Charge-System nutzt die im Fahrzeug gespeicherte Nutzer-ID zur

Authentifizierung und Autorisierung. Ansonsten werden für die Datenerfassung und die Weiterlei-

tung der Daten die gleichen Komponenten benötigt wie bei der Benutzung von RFID-Karten.

Eine Freischaltung über SmartCards, wie EC-Karten, könnte ebenso funktionieren. Diese Methode

erlaubt, die von der EU-Richtlinie geforderte Ad-hoc Ladung ohne Vertrag mit dem Ladestationsbe-

treiber. Hierbei muss überprüft werden, ob die Verbindung mit der Möglichkeit der Direktbezahlung

den Aufwand der bereits mit RFID-Karten funktionierenden Ladesäulen wettmacht, da der Einsatz

von EC-Kartensystem in jeder Ladesäule mit erhöhten Kosten verbunden ist.

Web-basierte Freischaltung (bspw. Smartphone App) oder die Freischaltung per SMS schließen Nut-

zergruppen ohne Smartphone aus. Sie sind allerdings Alternativen bzw. Ergänzungen zur RFID-

Freischaltung. Schlüssel oder PIN-Codes sind einfach zu handhaben und erfordern weniger aufwendi-

ge Systeme. Sie sind jedoch für die anbieterübergreifende Zuordnung und verursachergerechte Ab-

rechnung unpraktisch und daher für eine öffentliche Ladeinfrastruktur nicht zu empfehlen. Whitelists

in der Ladesäule, die nur eine bestimmte Anzahl an Nutzern zulassen sind unpraktikabel. Eine dauer-

hafte Freigabe der Ladeinfrastruktur ist für den Nutzer eventuell von Vorteil, verhindert jedoch zu-

sätzliche Dienstleistungsangebote für den Ladestationsbetreiber.

Im Sinne der internationalen Vernetzung der Ladeinfrastruktur und der Möglichkeit den Ladevorgang

mitgliedsstaatenübergreifend zuordnen und abrechnen zu können, sollte angestrebt werden die öf-

fentlichen Ladesäulen mit einem roamingfähigen Backendserver zu verbinden.

73

Bereich Datenerfassung für Energie und Nutzer

Intelligente Stromzähler sollen laut EU-Richtlinie 2009/72/EG bis 2020 bei 80% der Endnutzer instal-

liert sein.111 Dadurch ist es auch bei der Ladeinfrastruktur sinnvoll, Smart-Meter einzusetzen. Dabei

werden in Deutschland zwei Systeme unterschieden: EDL21-Zähler und EDL40-System112. EDL21-

Zähler erfassen Energiemengen und den zeitlichen Verlauf dieser. Erweitert um einen MUC-

Controller (Mulit-Utility-Communication) können diese Daten fernausgelesen werden und der Zähler

als Fernschalter benutzt werden. Man spricht bei den beiden Systemen auch von AMR (Advanced

Meter Reading) und AMM (Advanced Meter Management). AMR bezeichnet den unidirektionalen

EDL21-Zähler. AMM ermöglich darüber hinaus Fernschaltung, Laststeuerung, Spannungsüberwa-

chung und Event-Logging. Folglich sollten Zähler für öffentliche Ladestationen als EDL40-System aus-

geführt werden. Eine indirekte Anbindung des Fahrzeugs an die Ladestation bietet den Vorteil, dass

Daten einheitlich versendet werden und Informationen nicht über zwei verschiedene Kommunikati-

onswege aufgeteilt werden. Durch die direkte Anbindung können zwar flexiblere Dienstleistungsan-

gebote realisiert werden, der damit verbundene Aufwand erscheint jedoch wesentlich höher. Für die

Datenauswertung sollte das Backendsystem über ein Ladepunktmanagementsystem und Nutzerma-

nagementsystem verfügen.

Bereich Rechnung und Bezahlsystem

Anzustreben ist ein System, dass dem Nutzer größtmögliche Flexibilität ermöglicht. Hierfür eignet

sich ein System mit RFID (bzw. EVSEID und EMAID), dass auch Fremdkunden Zugang erlaubt. Nötig

sind dazu ein Lesegerät zur Erkennung der ID, die Verwendung eines standardisierten Protokolls (ak-

tuell OCPP), ein roamingfähiges Backend-System sowie ein Provider, der die Rechnung an den Kun-

den stellt. Eine zusätzliche Möglichkeit der Direktbezahlung erhöht die Zahl der möglichen Nutzer.

Die Direktbezahlung ist die Variante mit der höchsten Interoperabilität und Diskriminierungsfrei-

heit113, erhöht jedoch die Kosten der Ladeinfrastruktur. Hier sollte auf die Bezahlung mit EC-Karte

zurückgegriffen werden, sofern sich nicht ein anderes System als kostengünstiger erweist. Die Mög-

lichkeit, die Abrechnung über den Mobilfunkvertrag laufen zu lassen, sollte für eine europaweite

Lösung nur als Zusatzalternative gesehen werden, da hier zusätzlich Verträge zwischen Mobilfunkan-

bietern und Mobilitätsanbietern ausgehandelt werden müssen. Hierdurch wird das System verkom-

pliziert. Die Abrechnung pro Kilowattstunde ist im Sinne der verursachergerechten Abrechnung und

der Erweiterbarkeit auf bidirektionalen Energiefluss zu empfehlen. Die Abrechnung pro Zeitintervall

111

(Europäische Union, 2009) Anhang I Absatz (2) 112

EDL steht für „Energiedienstleistung“, die Zahl 21 bzw. 40 für die §§ des Energiewirtschaftsgesetz 113

(Kompendium für den interoperablen und bedarfsgerechten Aufbau von Infrastruktur für Elektrofahrzeuge,

2014) S.27

74

oder pro Ladevorgang ist als Dienstleistungsangebot im privaten bzw. halböffentlichen Raum zu se-

hen.

Bereich Netzintegration

Die aktive Netzintegration der Ladeinfrastruktur wurde in zwei Stufen eingeteilt. Zum einen eine

einseitige Steuerung des Ladevorgangs (Zeitpunkt des Start und Stopps des Ladevorgangs) zum ande-

ren ein bidirektionaler gesteuerter Energiefluss. Bei letzterem dient der Fahrzeugakku als Energie-

speicher. Notwendig dafür ist ein Load Controller mit Kommunikationsgateway als Steuereinheit und

eine bidirektionale Leistungselektronik in der Ladesäule. Die Möglichkeit, den Ladevorgang zeitver-

setzt zu starten, ergibt sich implizit durch die Möglichkeit der Steuerung. Als Kommunikationsproto-

kolle dienen auf der unteren Systemebene die IEC 61851 mit PLC und auf übergeordneten Ebenen

die ISO/IEC 15118. Im Sinne der EU-Ziele zum Ausbau der Elektromobilität sollte dies entweder direkt

eingebunden werden oder so ausgeführt werden, dass die Ladestation einfach aufzurüsten ist. Sol-

che bidirektionalen Systeme werden zurzeit in Praxistests erprobt. Es ist nicht sicher festzulegen, ob

kurze ad-hoc-Ladevorgänge an öffentlichen Ladestationen steuerbar sein sollten oder können. Die

öffentliche Ladeinfrastruktur sollte so konzipiert werden, dass entweder bidirektionales Laden mög-

lich ist oder Bauteile einfach nachträglich eingebaut oder ersetzt werden können (modulare Erweite-

rung). Ein System in dem der Nutzer vorher festlegen kann, ob sein Ladevorgang steuerbar sein soll

könnte eine Lösung für die bestehenden Unklarheiten sein.

Tabelle 19 zeigt die Rangliste der ersten 20 Komponenten durch die Punktevergabe.

Tabelle 19: Rangfolge der für das Konzept wichtigsten Komponenten nach der Bewertung

Rang Funktion

1 Smart charge communication protocol nach ISO 15118

2 Backend-Server (roamingfähig)

3 eHZ mit Multi Utility Communication (EDL 40)

4 PLC (EVSEID, EMAID) (Station - Netz)

5 Ladepunktmanagementsystem

6 Nutzermanagementsystem

7 Typ 2

8 Combo 2

9 Mode 3

10 Automatische Leistungsanpassung

11 Mode 4

12 RFID Fremdkunde (RFID-Leser, keine Quittung, Rechnung Provider, OCPP Backend, Roaming Backend)

13 RFID (Freischaltung)

14 PLC (Plug&Charge) (Station - Fahrzeug)

15 Load Controller

16 OCPP

17 Chademo

18 GSM

19 GPRS

20 RFID Eigenkunde (RFID-Leser, keine Quittung, Rechnung Provider, OCPP zum Backend, kein Roaming)

75

Zusätzlich wurde für jede Anforderungen aus dem morphologischen Kasten jeweils die Lösung mit

der höchsten Punktevergabe sowie mögliche Alternativen aufgeführt. Aus der Bewertung ergibt sich

anhand der Zielkriterien folgende vorgeschlagene Lösung für ein Konzept zur Ladeinfrastruktur in der

EU (Tabelle 20).

Teilweise enthalten die Spalten auch Kombinationen, die im Zusammenspiel die Funktion ermögli-

chen („einheitliche Kommunikation (Nutzer, Fahrzeug, EVU)“, „Datenerfassung (Nutzerinformatio-

nen)“, „bidirektionaler gesteuerter Energiefluss“).

Tabelle 20: Morphologischer Kasten Ladeinfrastruktur nach Bewertung (graue Zellen: Alternativen)

Anforderung Funktion

einheitliche Kommu-

nikation (Nutzer,

Fahrzeug, EVU)

OCPP (Ladesäule) Smart Charge Communication Protocol nach ISO 15118

Komm. Station -

Fahrzeug PLC (EVSEID, EMAID)

Komm. Station - Netz PLC GSM/ GPRS

Ladeart Mode 2 Mode 3 Mode 4

Steckertyp Typ 2 Combo 2 Chademo Typ 1

Authentifizierung RFID PLC (Plug&Charge EVSEID, EMAID)

Autorisierung Backend-Server (roamingfähig)

Datenerfassung

(Energie) eHZ mit Multi Utility Communication EDL 40 (AMM)

Datenerfassung

(Nutzerinformationen) Ladepunktmanagementsystem Nutzermanagementsystem

Rechnung und Bezahl-

system EC (Kartenleser, Quittung, Verschlüsselung)

RFID Fremdkunde (RFID-Leser, keine Quittung, Rechnung Provi-

der, OCPP Backend, Roaming Backend)

Anschlussleistung automatische Leistungsanpassung Level 3 (AC) (Hochleistung) Level 3 (DC) (Hochleistung)

einseitige Steuerung

des Ladevorgangs Load Controller

bidirektionaler,

gesteuerter Energie-

fluss

eHZ mit Multi

utility communi-

cation EDL 40

Load Controller

PLC (IEC 61851)

low Level

Kommunikati-

onsprotokoll

ISO/IEC 15118

high level

Kommunikati-

onsprotokoll

CSCC Charging

Station Control

Center

Bidirektionaler

Umrichter

Gateway Con-

troller

76

5 Fazit und Ausblick

Mit dieser Arbeit wurde ein Konzept für öffentliche Ladeinfrastruktur entwickelt und bewertet, wel-

ches sich an der aktuellen Situation in der europäischen Union orientiert. Die Lösungsansätze versu-

chen bestehende Barrieren zu berücksichtigen und diese aufzuheben. Durch die Recherche und die

darauffolgende systematische Bewertung mittels NWA und QFD wurde aufgezeigt, dass aktuell nicht

die technischen Komponenten, sondern die Systemvernetzung und die Standardisierung der Kom-

munikation Dreh- und Angelpunkt in der Entwicklung der Ladeinfrastruktur sind. Eine Vernetzung der

bestehenden Ladeinfrastruktur durch E-Roaming und einheitliche Kommunikationsprotokolle sowie

die damit verbundene Vereinfachung für den Nutzer haben sich als wichtige Bereiche für öffentliche

Ladeinfrastruktur herausgestellt.

Das Konzept ist durch die definierten Schnittstellen klar abgegrenzt und bezieht sich auf öffentliche

Ladeinfrastruktur, die durch das heutige Mobilitätsverhalten bestimmt ist. Dieses ist durch den Besitz

eines eigenen Fahrzeuges geprägt („automobile Selbstbeweglichkeit“114). In Zukunft ist es durchaus

möglich, dass sich eine Änderung dieses Verhaltens, hin zu einem System, in dem nicht der Besitz,

sondern das Teilen des Fahrzeuges im Vordergrund steht, vollzieht („Nutzen statt besitzen“115). Ge-

rade in urbanen Ballungsgebieten haben Carsharing-, Micro-Mobility- und multimodale Konzepte

Vorteile und können Stärken ausspielen. Je nach Situation und Bedarf werden hierbei unterschiedli-

che Verkehrsmittel genutzt. Vor allem in den heute jüngeren Bevölkerungsgruppen nimmt dieses

Verhalten, unterstützt durch ein steigendes Umweltbewusstsein, zu. Heute sind es oftmals die EVUs

und Kommunen, die die öffentliche Infrastruktur aufbauen. In Zukunft könnte, bedingt durch diesen

Mobilitätswandel, diese Rolle auch an Unternehmen wie beispielsweise Carsharingbetreiber fallen.

Es bleibt zu prüfen, wie der Hochlauf der Elektromobilität Geschäftsmodelle und Marktpositionen

beeinflusst, um eine angemessene Zahl an Ladestationen vorhersagen zu können. Die Aussagen über

die benötigte Anzahl an Ladepunkten sind von Institution zu Institution unterschiedlich. Aussagekräf-

tige Abschätzungen des bedarfsgerechten Ausbaus der Ladeinfrastruktur in den einzelnen Mitglieds-

staaten sind jedoch für das Erstellen nationaler Entwicklungspläne wichtig.

Auf technischer Ebene werden zukünftig auch für die öffentliche Ladeinfrastruktur induktive Ladesys-

teme marktreif sein (siehe Kapitel 2.2). Durch die wesentlich komfortablere Bedienung im Vergleich

zu kabelgebundenen Systemen werden diese sicher ein Konkurrenzsystem. Die Leistungserhöhung

und gleichzeitige Kostenreduzierung (z.B. durch Skaleneffekte oder Systemvereinfachung) sind je-

doch wichtige Entwicklungsschwerpunkte dieser Systeme.

114

(Jochem, et al., 2012) S.29 115

Ebd. S.23

77

Auch die fahrzeugseitige Batterieentwicklung hat Auswirkungen auf den Ladeinfrastrukturaufbau.

Höhere Energiedichten und höhere zulässige Ladeleistungen reduzieren den Bedarf an öffentlichen

Ladesäulen.

Das hier von technischer Seite aufgezeigte Konzept, bedarf im nächsten Schritt einer ausführlichen

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung, um die Marktfähigkeit zu überprüfen.

Elektromobilität ist in einem nachhaltigen Verkehrssystem nicht isoliert zu betrachten. Nicht außer

Acht zu lassen sind die weiteren Technologien für eine nachhaltige Mobilität, welche in diesem Kon-

zept nicht berücksichtigt wurden. Eine Festlegung auf ein einzelnes System kann Nachteile mit sich

bringen und in technologische Sackgassen führen. Daher ist eine Diversifizierung der Mobilität

durchaus sinnvoll. Brennstoffzellenfahrzeuge und gasbetriebene Verbrennungskraftmaschinen kön-

nen über Umwandlungsketten (z.B. Power to Gas) auch durch erneuerbare Energien betankt werden.

Dabei müssen Wirkungsgradunterschiede dieser Wertschöpfungsketten von Quelle bis zum Antrieb

in Wirtschaftlichkeitsanalysen berücksichtigt werden. Elektrofahrzeuge sind zurzeit teuer in der An-

schaffung und günstig im Betrieb. Die wirtschaftliche Darstellung ist also über hohe Laufleistungen

möglich. PHEVs haben dabei noch Vorteile gegenüber BEVs, und werden in den nächsten Jahren vo-

raussichtlich höhere Marktanteile haben. FCEVs bieten sich für hohe jährliche Fahrleistungen an.

Dieser Bereich ist mit hohen Umwelt- und Ressourcenauswirkungen ein großer Hebel.

Die unterschiedlichen Technologien müssen entsprechend ihrer Stärken eingesetzt und kombiniert

werden, die Wahrscheinlichkeit, dass verschiedene Antriebssysteme unterschiedliche Marktsegmen-

te ansprechen ist hoch.116

116

(Jochem, et al., 2012) S.75

78

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Anhang

A1: EURELECTRIC-Tabelle – Vergleich von Netzparametern in der EU

86

A2: Morphologischer Kasten

87

A3: Bewertungstabelle Teil 1

88


89


90

A6: CIGRE Referenznetz

91

A7: E-Roaming Schemata

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