Vom Solardach bis ins Elektroauto:
Technische Komponenten im Überblick
Elektroautos sind ungeachtet der Stromquelle die am günstigsten zu betreibenden Kraftfahrzeuge. Denn jede Form von Ladestrom ist, bezogen auf die innewohnende Leistung, deutlich günstiger als herkömmliche Kraftstoffe.
Das preisliche Minimum stellt allerdings eine Elektroauto-Tankstelle dar, die mit selbsterzeugtem Photovoltaik-Strom (PV) versorgt wird. Eine solche Kopplung von Wallbox mit PV-Anlage bedeutet Strom- und somit Ladepreise zwischen 8 und 11 Cent pro Kilowattstunde.
Die dafür notwendigen Komponenten lassen sich in Gänze sowohl in Neubauten installieren als auch bei Bestandsbauten nachrüsten. Zudem unterscheiden sie sich in ihrem Aufbau kaum nach Art der Immobilie: Firmengebäude, Wohnanlagen, Mehrparteien- und Einfamilienhäuser können daher auf ähnliche Weise Eigenstrom erzeugen und für die E-Mobilität nutzen.
Wallbox mit PV-Anlage koppeln:
Eine äußerst sinnvolle Kombination
Praktisch jedes Gebäude wird im Tagesverlauf durch die Sonne beschienen. Insbesondere bei größeren Immobilien verfügen überdies über teils sehr umfassende Dach- und Fassadenflächen. Zudem gibt es oftmals weitere Areale auf dem Gelände, die sich für die Installation von PV-Modulen anbieten.
Besonders in Gebäuden, die generell Elektroauto-Ladestationen betreiben und bei denen Elektroautos vornehmlich tagsüber geladen werden, ist die Kopplung von Wallbox und PV-Anlage äußerst sinnvoll:
- Die E-Mobilität erfolgt maximal umweltfreundlich – ein bedeutender Image-Faktor.
- Es kann vor allem bei großen Gebäuden mit ähnlich ausladenden Dachflächen überschüssiger PV-Strom sinnvoll verwendet werden.
- Eine Einspeisung ins öffentliche Netz gegen die recht geringe Einspeisevergütung wird durch die Nutzung mit Elektroautos idealerweise völlig vermieden.
- E-Autos lassen sich äußerst kostengünstig mit Eigenstrom betreiben – nach Amortisation der Anlage sogar weitgehend kostenneutral.
Zudem lassen sich PV-Anlagen und Elektroauto-Ladestationen mit Stromspeichern koppeln. Dies können festmontierte Systeme sein, ebenso kann jedoch sogar ein Elektroauto als Stromspeicher fungieren, wenn gewisse Bedingungen gegeben sind. Dadurch können nachts andere Verbraucher, darunter weitere Wallboxen, mit dem selbsterzeugten PV-Strom betrieben werden, obwohl die Sonne nicht scheint.
Solarzellen:
Die Grundlage einer PV-Anlage
Um Solarstrom zu erzeugen, stellt eine auf gekoppelten Solarzellen basierende Photovoltaik-Anlage die mit Abstand wichtigste Installation dar. Sie kann sowohl auf Dächern als auch an Fassaden sowie im Gebäudeumfeld installiert werden. Die ideale Vorgehensweise wird nicht nur von den architektonischen Gegebenheiten diktiert wie etwa der Dachform, sondern auch von anderen Gegebenheiten:
Die PV-Zellen sollen unter Einbeziehung von
- örtlicher Geografie,
- umliegender Bebauung,
- etwaigen Baumbeständen und
- lokalem Sonneneinfallswinkel
möglichst „sonnengünstig“ installiert werden. Das heißt, sie werden idealerweise ohne jede Abschattung ständig oder wenigstens während bestimmter Zeitfenster im Tagesverlauf vollflächig in einem optimalen Winkel beschienen. Dann können sie ein Leistungsmaximum erzeugen – fachsprachlich beziffert als Kilowatt-Peak (kWp).
Strom aus Sonnenenergie:
So funktioniert es
Wallbox mit PV-Anlage koppeln:
Benötigte Fläche pro Fahrzeug
Prinzipiell kann sogar die Energie einer sehr kleinen Photovoltaik-Anlage über die Wallbox ins Elektroauto fließen. Wenn es jedoch darum geht, Elektroautos (etwa auf Kundenparkplätzen) kompromisslos schnell aufzuladen, muss man die Wallbox mit einer PV-Anlage koppeln, die durch ihre Fläche genügend leistet. Hierbei spielt der Stromverbrauch von Elektroautos eine entscheidende Rolle. Er beträgt bei größeren Fahrzeugen durchschnittlich etwa 20 kWh pro 100 km.
Das heißt, um einem solchen Fahrzeug innerhalb einer Stunde genügend Energie für hundert Kilometer Fahrdistanz zu liefern, müsste die PV-Anlage 20 kWh erzeugen. Pro Quadratmeter PV-Fläche kann man je nach Bauart der Solarzellen von etwa 0,2 kWh erzeugter Leistung ausgehen. Um einem solchen Fahrzeug also genügend Strom für 100 km Fahrdistanz zu übermitteln, müsste die Anlage 75 m² groß sein.
Da allerdings oftmals mehr Fahrzeuge versorgt werden müssen, diese jedoch länger mit der Wallbox verbunden bleiben und es im Tages- und Jahresverlauf zu unterschiedlichen Sonneneinstrahlungen kommt, ergeben sich für die Praxis andere Werte.
Hierin zeigt sich die Notwendigkeit, vor einer Kopplung von Wallboxen mit PV-Anlagen umfangreiche Planungen durchzuführen. Hierbei kann die Hager-Planungssoftware einen entscheidenden Beitrag leisten.
Von DC zu AC:
Der Wechselrichter
Photovoltaik kann aus technischen Gründen ausschließlich Gleichstrom (DC, Direct Current) erzeugen. Sämtliche Haushaltsapplikationen benötigen jedoch Wechselstrom (AC, Alternating Current). Ebenso ist es aus technischen Gründen schwierig, DC-Strom direkt über das sogenannte DC-Laden in ein Elektroauto einzuspeisen – hierzu wäre ein spezieller DC-DC-Wandler vonnöten.
Für die Praxis der Sonnenstromnutzung, bei der eine Wallbox mit der PV-Anlage gekoppelt wird, geht die Zuleitung zur Ladestation für Elektroautos immer über den Zwischenschritt eines DC-AC-Wechselrichter. Dieses System wird entweder direkt mit der Photovoltaik-Anlage verbunden oder hinter einem eventuell vorhandenen, festinstallierten Energiespeicher installiert – da diese Systeme ebenfalls DC-Strom speichern.
Auf diese Weise wird aus dem für häusliche und automobile Nutzungen „unbrauchbaren“ Gleichstrom ein direkt verwertbarer Wechselstrom, der zudem durch die vernachlässigbaren Verluste des Wechselrichters keinen maßgeblichen Einfluss auf den Gesamt-Wirkungsgrad der Anlage hat.
Elektroauto laden über die PV-Anlage:
Möglichkeiten der Steuerung
Die wenigsten Photovoltaik-Anlagen werden direkt mit einer Zuleitung zu Ladestationen für Elektroautos verbunden. In der Praxis sind die Wallboxen meist Teil einer mit Photovoltaik versorgten Hauselektrik. Dementsprechend gibt es mehrere Wege, den PV-Strom in die Wallbox zu leiten.
In der Praxis ist die Vorgehensweise ohne Energiemanagement jedoch nur für größere PV-Anlagen geeignet. Bei dreiphasigem Laden muss der aktuell vorhandene Überschuss mindestens 4,2 kW betragen. Je kleiner die PV-Anlage im Verhältnis zum Gebäude, desto kürzer sind im Tages- und Jahresverlauf die Phasen, in denen so viel überschüssiger Strom erzeugt wird.
Die Ladestation:
Aus dem Hausnetz ins Elektroauto
Wie der durch Photovoltaik erzeugte Strom genutzt wird, ist innerhalb des daran angeschlossenen Gebäudenetzes weitgehend gleich. Ähnlich vielfältig ist die Möglichkeit, ihn in den Energiespeicher von Elektroautos zu leiten. Zwar bieten sich für Privatanwender hierbei (auch) herkömmliche Schuko- und CEE-Steckdosen an. Was jedoch eine ganzheitliche, professionelle Ladeinfrastruktur für E-Mobilität anbelangt, ist dies zu wenig.
Denn insbesondere im einphasigen Betrieb können über diese Anschlüsse nur Dauerströme von 8 / 10 A (Schuko) und 16 A (CEE blau) geliefert werden. Das ist für schnelles Aufladen zu wenig – zudem mangelt es völlig an einer Kontrolle darüber, wer den kostbaren Eigenstrom bezieht.
In diesem Sinne stellen Elektroauto-Ladestationen in Form von Ladesäulen oder Wallboxen die professionellste Herangehensweise dar. Sie liefern die benötigten hohen Ströme ebenso wie sie mit 16 A oder sogar 32 A laden können. Zudem stellen diese Systeme für sämtliche Nutzer einen klar sichtbaren Anschluss dar.
Elektroauto als Stromspeicher:
Technische Bedingungen
Ein Elektroauto ist letztendlich eine große, mobile Batterie mit einem Elektromotor. Theoretisch kann über die Ladestation Elektroauto deshalb Strom zurückgespeist werden. Praktisch allerdings müssen einige Bedingungen erfüllt sein, um ein Elektroauto als Stromspeicher zu nutzen:
- Die Fahrzeugbatterie muss bidirektional ladefähig sein. Sie kann also nicht nur Strom an die Verbraucher im Fahrzeug leiten, sondern über die Wallbox wieder zurück. Erkennbar ist dies an einem sogenannten CCS-Stecker.
- Die Elektroauto-Ladestation muss ebenfalls diesen Standard erfüllen. Ferner muss sie den aus dem Elektroauto kommenden DC- in AC-Strom umwandeln, damit die Hauselektrik ihn nutzen kann.
Aktuell sind die Möglichkeiten, ein Elektroauto als Stromspeicher zu nutzen, noch etwas limitiert. Diese sogenannte Vehicle-to-Home-Nutzung (V2H) wird jedoch als nächster wichtiger Meilenstein der E-Mobilität angesehen.
Daher wird sich diese Technik in den kommenden Jahren immer stärker durchsetzen und sowohl bei mehr Fahrzeugen als auch Wallboxen und anderen Ladestationen für Elektroautos integriert werden.
