Vehicle-to-Grid: Die Technologie für intelligente Stromnetze

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Die Automobilindustrie stellt zunehmend auf Elektrofahrzeuge (Electric Vehicles, EVs) um. Obwohl diese nicht ohne Nachteile für die Umwelt sind, tragen sie durch den Wegfall der ineffizienten Verbrennung von Kohlenwasserstoffen direkt zum Klimaschutz bei und eignen sich besser für den Einsatz fortschrittlicher Sensoren für autonomes Fahren. Um die Umweltvorteile von Elektrofahrzeugen optimal auszuschöpfen, müssen wir auch auf erneuerbare Energiequellen umsteigen. Erneuerbare Energien, allen voran Sonnen- und Windenergie, sind unbeständig: Die Sonne scheint nicht immer, und der Wind weht nicht immer. Entwickler arbeiten an Lösungen, um unregelmäßig erzeugte erneuerbare Energien zu sammeln, zu speichern und für die Nutzer gleichmäßig bereitzustellen. Eine dieser Lösungen ist das intelligente Stromnetz, auch genannt Smart Grid – ein digitales Netzwerk, das aus Hardware- und Software-Komponenten, Infrastrukturen für Stromerzeugung, -verteilung und -verbrauch sowie Kommunikationstechnologien besteht.

Smart-Grid-Technologien zielen darauf ab, Strom so bedarfsnah wie möglich zu liefern, ohne zu viel Strom zu produzieren. Aufgrund seiner Bedeutung für die weltweiten Bemühungen zur Dekarbonisierung wird erwartet, dass der globale Markt für Smart Grids von 43 Milliarden Dollar im Jahr 2021 auf über 103 Milliarden Dollar im Jahr 2026 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 19 Prozent wachsen wird. [1]

Es besteht jedoch eine Technologielücke bei der Einführung von Smart Grids, die sich aus der Notwendigkeit ergibt, von einem Netz, das für die Versorgung mit Energie aus Kohlenwasserstoffen gebaut wurde, auf ein Netz umzustellen, das mit erneuerbaren Energien betrieben werden kann. Außerdem ist ein bidirektionaler Stromfluss zum und vom Elektrofahrzeug erforderlich, um die Energienutzung zu optimieren und gleichzeitig die wachsende Energienachfrage zu decken.

Abbildung 1 zeigt die Schlüsselelemente eines intelligenten Stromnetzes, einschließlich der V2G (Vehicle-to-Grid)-Technologie zum elektrischen Laden, die einen extrem hohen Wirkungsgrad ermöglicht.

Abbildung 1: V2G-Komponenten für das Laden von Elektrofahrzeugen. (Quelle: petovarga/stock.adobe.com)

Mit der V2G-Technologie können Elektrofahrzeuge mit dem Stromnetz kommunizieren und bei Bedarf Strom liefern und beziehen. Diese Flexibilität trägt erheblich zur Dekarbonisierung und zur Widerstandsfähigkeit der Energiesysteme bei. Bei der V2G-Einheit handelt es sich um einen Umrichter, der den Strom an die gewünschte Applikation weiterleitet. Diese neuartige Technologie für intelligente Stromnetze ermöglicht einen bidirektionalen Stromfluss.

Dieser Beitrag befasst sich mit V2G-Technologien, die intelligente Stromnetze ermöglichen und mit denen Elektrofahrzeuge als mobile Energiequellen und -ableiteinrichtungen genutzt werden können.

Was ist V2G?

Die V2G-Technologie (Abbildung 2) ist eine innovative Lösung für das Zusammenspiel von Elektrofahrzeugen und intelligenten Stromnetzen, um einen effizienten Energiewirkungsgrad zu erzielen. Der Strom kann zu und von einer Energiequelle fließen, wobei die V2G-Technologie die Steuerung der Lieferung auf Grundlage der Nachfrage übernimmt. Strom kann von Geräten mit hoher verfügbarer Leistung zu denen fließen, die elektrisch geladen werden müssen. Dank der V2G-Technologie kann das Elektroauto als mobiler Energiespeicher fungieren, der physisch als Hilfsstromquelle Energie für die Fahrt bereitstellt.

 Abbildung 2: Mit der V2G-Technologie können Elektrofahrzeuge die Energie aus ihren Batterien in das Stromnetz umleiten und so zur Stabilisierung des Netzes und zur Unterstützung der Integration erneuerbarer Energien beitragen. (Quelle:Naeblys/stock.adobe.com) 

Bedeutung von V2G für die Stabilität von Smart Grids

Das bestehende elektrische Netz wurde für einen unidirektionalen Energiefluss vom Kraftwerk zu den Nutzern gebaut. Die Anpassung der Stromversorgung an die Lastkurve der Nachfrage ist eine Herausforderung. Da es nur eine begrenzte Anzahl von Kraftwerken gibt, haben die Betreiber in der Vergangenheit überschüssige Energie erzeugt, um Ausfälle zu vermeiden. Darüber hinaus ist der energetische Wirkungsgrad ein entscheidender Faktor in modernen Energieversorgungssystemen, der sowohl die Betreiber als auch die Verbraucher dazu motiviert, die Energienutzung zu optimieren, um die Kosten zu senken und den Wirkungsgrad zu verbessern.

Intelligente Netze und V2G ermöglichen die Wiederverwendung von Energie: Bei hohem Energiebedarf wird Energie aus anderen Quellen bezogen und überschüssige Energie in das Netz zurückgespeist, wenn der Bedarf sinkt. Wenn ein Teil des Netzes ausfällt, kann das V2G-System dies erkennen und Energie aus entfernten Quellen (in Form von fast einer Milliarde Fahrzeugen weltweit) beziehen, um das Netz zu stabilisieren.

Die Smart-Grid-Technologie besteht in erster Linie aus einem Netz mit bidirektionalem Stromfluss, intelligenten Stromzählern und anderen Smart-Home-Funktionen zur Diagnose und zum Schutz der Versorgungssicherheit. Außerdem wird die bidirektionale Kommunikation unterstützt, um die Energienutzung zu verbessern und zu automatisieren, damit sie sich besser an die Lastkurve anpasst.

Bedarfssteuerung
Das „Intelligente“ in einem Smart-Grid-Energieverteilungsnetz ist die digitale Steuerung. Wenn eine Applikation Strom benötigt, leitet die V2G-Einheit den Strom dorthin, bis er nicht mehr benötigt wird. Die V2G-Einheit fungiert als das Gehirn der Smart-Grid-Technologie, optimiert den Stromverbrauch und minimiert die Kosten für die Verbraucher. Diese Bedarfssteuerung ermöglicht den Verbrauchern eine dynamische Energiepreisgestaltung, die Anreize für die Nutzung zu Zeiten außerhalb der Spitzenlast schafft. Die Vermeidung von Nachfragespitzen spielt eine entscheidende Rolle für die Stabilität des Netzes.

Integration erneuerbarer Energien
V2G-Technologien sind entscheidend für die Integration erneuerbarer Energien in das Netz und damit für eine optimale Nutzung. Wind- und Sonnenenergie sind fluktuierende Energiequellen und können zu Stromschwankungen führen, während dank V2G Energie im Auto gespeichert und bei Bedarf wieder abgegeben werden kann. Bei einem Energiemangel kann das Auto die gespeicherte Energie wieder in das Netz einspeisen. Durch die Zusammenarbeit zwischen Energieversorgern, Nutzern und Behörden können die V2G-Technologie und die Integration erneuerbarer Energien wirksam zur Entwicklung eines nachhaltigeren und widerstandsfähigeren Energiesystems beitragen.

Intelligente Lade-Algorithmen für V2G-Nachfragespitzenmanagement

Ein bidirektionaler Wandler, der sowohl AC-Strom aus dem Netz in DC-Strom aus der Batterie eines Fahrzeugs als auch DC-Strom in AC-Strom umwandeln kann, ermöglicht den Stromfluss zwischen dem Netz und einem Elektrofahrzeug. Diese bidirektionale Übertragung schafft neue Möglichkeiten für die Verwaltung von Speichern und die Bereitstellung von Energie sowie für die Einbindung erneuerbarer Energien. So kann das Netz beispielsweise überschüssige Energie aus erneuerbaren Energien tagsüber speichern und bei Bedarf übertragen, auch nachts oder bei Stromausfällen.

V2G-Systeme arbeiten mit intelligenten Lade-Algorithmen, um zu entscheiden, wann und in welchem Umfang Elektrofahrzeuge ihre Batterien aufladen oder entladen sollen. Diese Algorithmen berücksichtigen Faktoren wie den Zustand des Systems, Energiepreisschwankungen, den Zustand und den Durchschnitt der Energie aus erneuerbaren Quellen sowie die Spannung und die Ladeleistung der Batterien.

Durch die Berücksichtigung dieser Faktoren können die zuständigen Entwickler Zeitpläne für die Übertragung von elektrischer Energie entwickeln, die den Zeitplänen für das Laden und Entladen von Elektrofahrzeugen entsprechen. Das kann die Nachfrage nach Energie verringern, Stromausfälle verhindern und die Kosten für das elektrische Laden von Batterien während der Schwachlastzeiten senken.

Der Einsatz intelligenter Ladeprotokolle kann die Effektivität und die Wirksamkeit von V2G-Modellen erhöhen, indem die Stromnachfrage ausgeglichen und gleichzeitig die Integration erneuerbarer Energiequellen unterstützt wird.

Kosteneinsparungen für Besitzer von Elektrofahrzeugen

Das „Recycling“ von erzeugtem Strom zwischen den Geräten der Verbraucher kürzt die Spitzen der Energienachfrage und ermöglicht den Unternehmen eine bessere Kostenvorhersage durch ein konsistenteres Nachfrageprofil. Durch diesen Spitzenausgleich können die Verbraucher bis zu 870 USD pro E-Fahrzeug und Jahr sparen. [2]

Intelligentes Laden kann auch die Lebensdauer der elektrischen Batterien verlängern, indem es die Steuerung des Ladens und Entladens so gestaltet, dass die Batterien weniger belastet werden. Dies kommt den Nutzern von Elektrofahrzeugen zugute, da weniger neue Batterien benötigt werden, und es trägt zur Förderung eines klimafreundlichen Verkehrsnetzes bei. Für einen optimalen Wirkungsgrad müssen die Batterien einen elektrischen Ladestand zwischen etwa 20 und 80 Prozent aufweisen, wobei V2G eine bessere Steuerung des Ladezustands ermöglicht. Darüber hinaus spart intelligentes Laden überschüssigen Wind- und Solarstrom und verbessert die Stabilität des Netzes, indem es Schwankungen in der Energieversorgung ausgleicht.

V2G-Technologie und Smart Grids

Künstliche Intelligenz (KI), Machine Learning (ML), fortschrittliche Sensoren und Wireless-Kommunikationsprotokolle sind entscheidend für die Weiterentwicklung der V2G-Technologie und ermöglichen intelligentere und effizientere Netzsysteme.

KI- und ML-Integration zur Verbesserung von V2G-Systemen

Entwickler kommen mit immer mehr Technologien, die in der Lage sind, V2G zu nutzen. KI und ML können das Betriebsverhalten von intelligenten Stromnetzen durch Automatisierung und vorausschauende Bedarfsmodellierung weiter verbessern.

Das Netz bietet eine riesige Menge an Daten, die von KI genutzt werden können. KI- und ML-Algorithmen können den Zustand der Batterien von Elektrofahrzeugen, die Netzbedingungen, die Strompreise und die Nutzungsmuster von Elektrofahrzeugen analysieren. Änderungen an den Daten werden in die KI-Software aufgenommen und bei der nächsten Prognose berücksichtigt, was zu einer kontinuierlichen Optimierung des energetischen Wirkungsgrads führt. KI kann auch Funktionen für autonomes Fahren mit Leistungsmanagement für eine optimale Effizienz verbessern.

Diese kontinuierliche Optimierung sorgt für einen Ausgleich des Netzes, senkt die Stromkosten und verlängert die Lebensdauer der Batterien, die den größten Teil der Kosten eines Elektrofahrzeugs ausmachen. Darüber hinaus können KI- und ML-Technologien Trends in der Produktion erneuerbarer Energie analysieren und diese im Laufe des Jahres dynamisch anpassen. Durch die Nutzung überschüssiger Speicherkapazitäten können diese Technologien die Integration erneuerbarer Energien in das Netz optimieren und eine stabilere und zuverlässigere Energieversorgung gewährleisten.

Drahtlos-Kommunikationsprotokolle in der V2G-Technologie

Ein weiterer wesentlicher Bestandteil der V2G-Technologie ist die Wireless-Kommunikation, die den Datenaustausch zwischen drei kritischen Elementen fördert: dem Netz, dem Elektrofahrzeug und der elektrischen Ladung. Wie KI und ML trägt das Datenmanagement zur Steuerung des wechselseitigen Energieaustauschs und zum Betriebsverhalten des Systems bei.

V2G-Systeme verwenden Wireless-Kommunikationsprotokolle, um Daten über die Fahrzeug-ID, den Ladezustand der Batterien, die Temperatur, die Geschwindigkeit des Elektrofahrzeugs, den gemessenen Stromfluss, die Netzfrequenz und vieles mehr zu erfassen. Jedes dieser Protokolle (WiFi®, dedizierte Kurzstreckenkommunikation (DSRC) und zellulare Vehicle-to-Everything-Netzwerke (C-V2X)) weist Einschränkungen und Vorteile im Hinblick auf Reichweite, Geschwindigkeit und Sicherheit auf und muss integriert werden, um ein leistungsstarkes Smart Grid zu ermöglichen. 

Wi-Fi
Wi-Fi eignet sich optimal für lokale Netzwerke (LANs) und ist über kurze Bereiche zuverlässig. Bei größeren Reichweiten ist es jedoch begrenzt und bei hoher Nutzerdichte anfällig für Störungen. Wi-Fi eignet sich am besten für die Kommunikation im Fahrzeug und für die Schnittstelle zur unmittelbaren Umgebung des Fahrzeugs.

DSRC
DSRC bietet die geringste Latenzzeit der drei Protokolle und eignet sich optimal für eine hochsichere, direkte Kommunikation mit hoher Datenübertragungsgeschwindigkeit zwischen Fahrzeugen und Infrastruktur. Die geringe Latenzzeit ist ideal für fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (FAS), die eine höhere Empfindlichkeit der Signale für mehr Sicherheit erfordern. DSRC eignet sich gut für Anwendungen über mittlere Entfernungen bis zu 1 km, beispielsweise für die Kommunikation von Fahrzeug zu Fahrzeug und von Fahrzeug zu Infrastruktur zur Vermeidung von Kollisionen und zur Steuerung von Verkehrsstopps.

C-V2X-Netzwerke
Aufgrund seiner großen Reichweite eignet sich das Mobilfunknetz am besten für Fernfunktionen und -diagnosen. Es bietet einen hohen Datendurchsatz und ist damit das ideale Protokoll für die Kommunikation zwischen Fahrzeugen und Fußgängern. Da die Latenzzeit höher ist als bei DSRC, eignen sich C-V2X-Netzwerke besser für Applikationen, die nicht die kürzeste Reaktionszeit benötigen, wie Infotainment und Over-the-Air-Updates. 

Moderne Sensoren für Datenmanagement in Echtzeit

Viele Sensortechnologien, die für autonome Fahrzeuge (Autonomous Vehicles, AVs) entwickelt wurden, lassen sich auch auf V2G anwenden. Entwickler müssen Sensoren einsetzen, um den Zustand der Batterien über das Batteriemanagementsystem (BMS), den Ladezustand und viele über Wireless-Protokolle übertragene Parameter zu überwachen. Darüber hinaus versorgen die Sensoren der intelligenten Stromzähler die Steuerungsalgorithmen mit Daten, um zu steuern, wie und wann AVs Strom verbrauchen. Dadurch wird das Betriebsverhalten und der Wirkungsgrad des Systems optimiert, was auch V2G-Systemen zugutekommen kann.

Einführung von V2G

Die Technologie für V2G befindet sich zwar in der Entwicklung, aber die landesweite Einführung in großem Maßstab ist ein ganz anderes Problem. Für ein nationales V2G-Netzwerk sind noch einige Herausforderungen zu bewältigen, aber die Chance auf Nachhaltigkeitsgewinne und die Widerstandsfähigkeit des Netzes ist sowohl für den öffentlichen als auch den privaten Sektor verlockend.

Herausforderungen und Chancen

Die V2G-Technologie bringt komplexe Herausforderungen und Chancen mit sich, von der Alterung der Batterien und den Auswirkungen auf die Lieferkette bis hin zu Markt- und Regulierungshindernissen, die alle entscheidend dafür sind, in welcher Form ihre weitverbreitete Einführung und ihre potenziellen Vorteile zum Tragen kommen.

Alterung der Batterien und Auswirkungen auf die Lieferkette 
Derzeit wird erforscht, ob die V2G-Technologie die Batterie belastet und ihre Lebensdauer verkürzt.[3]  Die Erhöhung der Anzahl der Lade- und Entladezyklen könnte die Belastung und Materialermüdung verstärken. Ohne optimale Steuerung können sich die Lade- und Entladevorgänge der Elektrofahrzeugbatterien negativ auf die Kapazität und Lebensdauer auswirken, was zu höheren Reparaturkosten für eine teure Komponente führen kann. Intelligente Lade-Algorithmen können diesen Effekt jedoch abmildern und die Lebensdauer der Batterie verlängern. 

Intelligentes Laden und künstliche Intelligenz können zwar Spannungsverluste abmildern, aber die Chemie von Lithium-Ionen-Batterien ist bekanntermaßen weniger stabil als die einiger alternativer Batterietypen. Lithium-Eisenphosphat, das von Rivian und anderen Herstellern von Elektrofahrzeugen verwendet wird, verschlechtert sich bei wiederholten elektrischen Ladungen nicht so stark wie Lithium-Ionen.

Technische, marktbezogene und regulatorische Hindernisse
Die Integration der V2G-Technologie in das derzeitige Stromnetz bringt eine Reihe von Schwierigkeiten mit sich. Da das Netz für einen unidirektionalen Energiefluss gebaut wurde, ergeben sich technische Herausforderungen wie die Integration des bidirektionalen Energieflusses, die Einbeziehung von Energie aus erneuerbaren Quellen und die Verbesserung der Kommunikation und Steuerung.

Diese technischen Hindernisse müssen beseitigt werden, und gleichzeitig muss der Markt in die Infrastruktur auf Heim- und Netz-Ebene investieren. In Zeiten wirtschaftlicher Ungewissheit geben die Verantwortlichen oft kurzfristigen Kosteneinsparungen den Vorzug vor langfristigen Vorteilen, sodass neue Richtlinien und Standards erforderlich sind, um die breite Einführung von V2G-Systemen zu erleichtern.

Die nivellierten Kosten für die Speicherung von Energie reichen von 0,085 USD/kWh bis 0,243 USD/kWh, wobei der geschätzte Nettogegenwartswert („Net Present Value“, NPV) derzeit zwischen -1.317 USD und +3.013 USD liegt. [4]  Die Verbesserung der Batteriechemie könnte den Kapitalwert von V2G auf +7.000 USD treiben, sobald die Chemie ausgereift ist. Diese Zahlen unterstreichen, dass eine weitverbreitete V2G-Technologie massiv profitabel sein kann, aber Investitionen erfordert, um dies zu realisieren.

Für die Einführung der V2G-Technologie sind auch Regulierungen für die Verbindung der Netze, Erleichterungen bei den Strompreisen und Subventionen erforderlich, um die Kapitalbelastung für öffentliche Einrichtungen und Verbraucher zu verringern. Der relativ neue Standard ISO 15118-20 beispielsweise definiert V2G-Kommunikationsschnittstellen für bidirektionales Laden zwischen Elektrofahrzeugen und Ladestationen. [5]

Zusammenarbeit zwischen öffentlichem und privatem Sektor

Um das Potenzial von V2G zu nutzen und von Demo-Projekten zu einer breiten Einführung überzugehen, müssen die Regulierungsbehörden ein unterstützendes, leistungsgerechtes Umfeld schaffen, um die Marktanforderungen zu erfüllen. Lokale Versorgungsunternehmen und Regierungen müssen eine flächendeckende Infrastruktur für das elektrische Laden schaffen und die Implementierung der Technologie in Fahrzeugen und im Netz unterstützen.

Die Aufklärung der Öffentlichkeit über die Vorteile von V2G für den Einzelnen und die Förderung der Nutzung von E-Fahrzeugen sind ebenfalls wichtige Aufgaben. Eine stärkere Sensibilisierung der Verbraucher erhöht die Akzeptanz und verbessert die Erfolgsaussichten der V2G-Technologie. Dadurch macht die Energiebranche einen bedeutenden Schritt in Richtung Nachhaltigkeit, verbessert den Zugang zu und die Nutzung von erneuerbaren Energien und trägt zur Stabilität der Stromversorgung bei, was wiederum zur Entwicklung einer nachhaltigen Energiezukunft führt.

Fazit

Die V2G-Technologie revolutioniert die Nutzung von Energie. Sie kann die weltweit zunehmende Verbreitung von Elektrofahrzeugen nutzen, um Energie zur Verstärkung des Netzes zu mobilisieren. Sie ermöglicht die umfassende Erfassung, Speicherung und Nutzung schwankender erneuerbarer Quellen wie Wind und Sonne, um den Energiesektor weiter zu dekarbonisieren und gleichzeitig die Verbraucherkosten zu senken.

Die Zusammenarbeit zwischen dem öffentlichen und dem privaten Sektor wird notwendig sein, um eine verbesserte Batterie-Chemie, Infrastruktur und verbesserte Bauteile zu entwickeln, damit die bidirektionale Energietechnologie eingeführt werden kann. Außerdem müssen Rechtsvorschriften und eine standardisierte Landschaft ausgearbeitet und die Spielregeln für bestehende und neue Marktteilnehmer festgelegt werden, um eine nationale bidirektionale Energielandschaft zu schaffen.

[1] https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/smart-grid-market-208777577.html