V2X in der realen Umsetzung und aus Sicht eines VN

Management Summary

Die Genossenschaft Elektra Jegenstorf untersucht mit dem Pilotprojekt «Test Bidirektionales Laden» die praktische Umsetzung des bidirektionalen Ladens aus Sicht eines Verteilnetzbetreibers. Ziel dieser Diplomarbeit ist es, die realen Energieflüsse, Wirkungsgrade und Verlustpfade des installierten Systems messtechnisch zu untersuchen und daraus technische sowie prozessuale Grundlagen für zukünftige Kundenanlagen abzuleiten.

Die Pilotanlage besteht aus einem Elektrofahrzeug, einer bidirektionalen DC-Ladeeinrichtung und einem Energiemanagementsystem. Für die energetische Untersuchung wurde die bestehende Anlage durch Präzisionsmesstechnik der Berner Fachhochschule ergänzt. Die Messwerte auf der AC- und DC-Seite wurden mit fahrzeuginternen Batteriedaten aus der OBD-Schnittstelle kombiniert. Für die Auswertung wurden die unterschiedlichen Datenquellen zeitlich synchronisiert, auf Sekundenbasis zusammengeführt, plausibilisiert und innerhalb definierter Bilanzgrenzen energiegewichtet ausgewertet. Die einzelnen Leistungsstufen wurden mehrfach untersucht. Für die detaillierte Analyse wurde eine vollständige und repräsentative Referenzmessung ausgewählt.

Die eigene Auswertung zeigt eine deutliche Abhängigkeit des Gesamtwirkungsgrads von der übertragenen Leistung. Für die untersuchte Referenzmessung wurde ein energiegewichteter Gesamtwirkungsgrad von 87,6 % beim Laden und 90,4 % beim Entladen ermittelt. Im unteren Leistungsbereich treten die höchsten relativen Verluste auf. Mit zunehmender Lade- beziehungsweise Entladeleistung verbessert sich der Wirkungsgrad und stabilisiert sich im oberen Leistungsbereich. Ein einzelner pauschaler Wirkungsgrad ist deshalb für die energetische Beurteilung eines bidirektionalen Ladesystems insbesondere im Teillastbetrieb nur bedingt geeignet.

Die ergänzende Auswertung der Berner Fachhochschule nach stationären Leistungsstufen bestätigt den gleichen grundsätzlichen Verlauf der Wirkungsgradkennlinie. Die beiden Auswertungen verwenden unterschiedliche Methoden und sind deshalb nicht direkt über einzelne Zahlenwerte gleichzusetzen. Die Verlustanalyse zeigt zudem, dass die auftretenden Verluste nicht ausschliesslich der bidirektionalen Ladeeinrichtung zugeordnet werden können. Weitere Verlustanteile entstehen entlang der Wirkungskette zwischen Fahrzeuganschluss und Hochvoltbatterie. Für eine aussagekräftige energetische Beurteilung ist deshalb das Gesamtsystem und nicht nur der Wirkungsgrad der Ladeeinrichtung zu betrachten.

Neben den energetischen Resultaten zeigte das Pilotprojekt die Bedeutung einer zuverlässigen Mess- ,Kommunikations- und Steuerungsinfrastruktur. Fehlerhafte oder nicht plausible Eingangsdaten können die Regelung des Energiemanagementsystems direkt beeinflussen. Für zukünftige Anlagen sollten die Leistungs- und Energieflüsse deshalb vor der Inbetriebnahme systematisch plausibilisiert werden. Die Qualität der Messdaten und das Zusammenspiel der einzelnen Systemkomponenten sind für einen zuverlässigen Betrieb ebenso wichtig wie die eigentliche bidirektionale Ladefunktion.

Für die praktische Umsetzung bei der Genossenschaft Elektra Jegenstorf wurden diese technischen Erkenntnisse mit den Anforderungen an zukünftige Kundenanlagen verbunden. Bidirektionale Ladestationen sind beim Verteilnetzbetreiber anzumelden und zu bewilligen und sinngemäss wie dezentrale Speicher zu behandeln. Abhängig von der Betriebsart und den möglichen Energieflüssen sind unterschiedliche Anschluss-, Mess- und Abrechnungskonzepte zu berücksichtigen. Aus diesen Anforderungen und den Erfahrungen des Pilotprojekts wurden Grundlagen für die Kundenauskunft sowie für einen standardisierten Anmelde-, Prüf- und Abnahmeprozess abgeleitet.

Zusammenfassend zeigt die Diplomarbeit, dass bidirektionales Laden mit der untersuchten Systemkombination technisch umsetzbar ist. Entscheidend für die praktische Anwendung ist jedoch die Betrachtung des Gesamtsystems. Neben der Effizienz der Energieumwandlung sind insbesondere der jeweilige Betriebspunkt, korrekte Messdaten, eine zuverlässige Kommunikation und Steuerung sowie klar definierte Prozesse beim Verteilnetzbetreiber relevant. Das Pilotprojekt schafft damit für die Genossenschaft Elektra Jegenstorf eine technische und betriebliche Wissensbasis für die Beurteilung zukünftiger Kundenprojekte im Bereich des bidirektionalen Ladens.

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Erkenntnisse aus dem Feldversuch und Empfehlungen für die Praxis

Der firmeninterne Pilotbetrieb bei der Genossenschaft Elektra Jegenstorf hat gezeigt, dass die grössten Hürden beim bidirektionalen Laden nicht bei der leistungselektronischen Wandlung liegen, sondern im Detail der Systemintegration, der Messdatenqualität und den herstellerspezifischen Systemgrenzen. Aus den praktischen Erfahrungen und den wissenschaftlichen Messungen lassen sich zentrale Erkenntnisse für künftige Projekte ableiten:

• Teillastfalle und Leistungsabhängigkeit:

  Sowohl beim Laden als auch beim Entladen hängt der Gesamtwirkungsgrad massgeblich vom gewählten Betriebspunkt ab. Bei tiefen Leistungen um 2 kW sinkt der Systemwirkungsgrad markant unter 70 %, da der kontinuierliche Eigenbedarf von Bordnetz, Steuergeräten und Wandlern prozentual stark ins Gewicht fällt. Aus diesem Grund ist wallboxseitig das Laden erst ab 2kW und das Entladen erst ab 1.8kW freigegeben. Erst ab rund 7 bis 8 kW arbeitet das System nahe seiner optimalen energetischen Betriebszone. Ein dauerhafter Betrieb bei sehr kleinen Leistungen ist energetisch ineffizient.

• «Energy Shifting» statt Kleinstlast-Regelung im EFH:

  Ein Elektrofahrzeug eignet sich im Einfamilienhaus kaum dazu, minimale Grundlasten von wenigen hundert Watt direkt auszuregeln. Zudem verlangen Fahrzeughersteller Mindestentladeleistungen (im Feldversuch ca. 1,8 kW), unterhalb derer eine Entladung blockiert wird. Für private Anwendungen empfiehlt sich daher die Kombination mit einem stationären Heimspeicher: Das Fahrzeug überträgt Energie in effizienten, höheren Leistungsbereichen («Energy Shifting») in den Hausspeicher, welcher anschliessend die kontinuierliche Feinverteilung im Gebäude übernimmt.

• Systemintegration und IT als unterschätzter Aufwand:

  Bidirektionales Laden ist gegenwärtig kein universelles Plug-and-Play. Die Einbindung des Solar Managers über LAN sowie der Wallbox und der Smart-Meter-Adapter (whatwatt) über das IoT-WLAN erforderte gezielte Firewall-Freigaben und IT-Abstimmungen zwischen den Netzwerksegmenten. Kommunikationsabbrüche oder Timeouts unterbrechen den Lade- und Entladeprozess unmittelbar.

• Datenvalidierung vor der Inbetriebnahme ist Pflicht:

  Energiemanagementsysteme treffen ihre Regelentscheidungen anhand von Echtzeit-Leistungswerten. Während des Pilotbetriebs führte ein Skalierungsfehler bei der Wandlermessung des Verbrauchszählers dazu, dass das EMS von falschen Überschüssen ausging und unplausible Ladebefehle auslöste. Zählerfaktoren, Vorzeichen und Kommunikationspfade müssen vor der produktiven Freigabe zwingend durch eine Fachperson verifiziert werden.

• Einfaches Messkonzept für Kundenanlagen (VSE VIb):

  Um den administrativen und messtechnischen Aufwand bei typischen Einfamilienhäusern (bis 30 kVA) gering zu halten, empfiehlt die Genossenschaft Elektra grundsätzlich die Umsetzung nach Variante VIb des VSE-Handbuchs Speicher. Die Abrechnung erfolgt unkompliziert über den vorhandenen Zweirichtungszähler am Netzanschluss. Der bewusste Verzicht auf komplexe Herkunftsnachweise (HKN) und Netznutzungsrückerstattungen spart teure Zusatzmessungen und gewährleistet eine wirtschaftlich verhältnismässige Umsetzung.

• Standardisierter VNB-Prozess:

  Da bidirektionale Ladestationen als Speicher mit Rückspeisefunktion gelten, ist eine frühzeitige Anmeldung via technisches Anschlussgesuch (TAG) unerlässlich. Der erarbeitete 9-stufige Prüf- und Abnahmeprozess stellt sicher, dass Netzverträglichkeit, Schutzkonzept und Messanordnung bereits vor der Installation sauber abgestimmt sind.