Resiliente Schnellladeparks für den Schwerlastverkehr

Für die Elektrifizierung des Verkehrssektors wird ein enormer Zubau von Schnellladeinfrastrukturen im Bereich der Mittelspannung realisiert. Gemäß Prognosen der Leitstelle Elektromobilität werden bis 2030 ca. 440.000 bis 843.000 öffentliche Ladepunkte für Pkw benötigt. Insbesondere bei hochfrequentierten Standorten an Verkehrsachsen müssen an den Ladestationen neben den Ladepunkten für den Pkw noch jeweils 2 bis 6 Ladepunkte für den Schwerlastverkehr integriert werden. Insbesondere diese stellen auf Grund der möglichen Ladeleistung von 1 bis 3 MVA eine große Herausforderung gemäß Megawatt-Charging-System-Standard dar, da hierdurch die benötigte Ladeleistung sprunghaft steigt und je nach Standort der Ladestation bis zu 30 MVA betragen kann. Entlang der Verkehrsachsen werden daher Ladestationen entstehen deren Leistungsbedarf im Bereich von Kleinstädten liegt. Kern der Innovation ist dabei die lokale Energieverteilung mit Gleichstrom auf Mittelspannungsniveau.

Ausgangslage

Pro Ladepunkt erlaubt der Megawatt-Charging-Standard (MCS) Ladeleistungen von 1 bis 3 MVA und damit Ströme von bis zu 3 kA. Es gibt heute bereits technische Lösungen zur Errichtung dieser Ladepunkte bis 1 MW, jedoch keine Systemkonzepte, die einen ganzheitlichen und technisch sowie wirtschaftlich nachhaltig sinnvoll skalierbaren Ansatz verfolgen.

Eine Optimierung der Wirtschaftlichkeit und Ressourceneffizienz verlangt die Betrachtung aller Bauteile und der gesamten Systemtechnik. In diesem Vorhaben soll ein systemtechnisch optimierter Ansatz umgesetzt und die dafür notwendigen Komponenten entwickelt werden. Kostenoptimierung, Steigerung der Effizienz und Ressourcenschonung sind dabei maßgeblich, sowohl bei der Installation als auch während des Betriebs. Kerndemonstratoren bilden daher der zentrale Gleichrichter, der einen DC-Bus von 3 bis 5 kV speist und galvanisch-trennende DC-Wandler, die die Verbindung zwischen Fahrzeug und DC-Bus realisieren. Der genaue Spannungsbereich wird im Rahmen der Konzeptstudie zu Beginn des Projekts festgelegt.

Ziel

Die Schnelladeparks werden als Hybridkraftwerke betrachtet. Das heißt, es werden sowohl Batteriespeicher als auch PV-Anlagen in die Systemkonzeption eingebunden. Das hohe Flächenpotenzial von Autohöfen ermöglicht PV-Anlagen als Parkplatzüberdachung in der Größenordnung von 1 MW. Da die solare Stromerzeugung sehr gut mit den Spitzenzeiten des Verkehrs korreliert, können Lastspitzen im Stromnetz abgepuffert werden und der Eigenverbrauch des Schnellladeparks erhöht werden. Der Schnelladepark ist auch bei Ausfall des Netzes noch betriebsfähig und könnte so auch dann, etwa für Rettungs- und Einsatzfahrzeuge zur Verfügung stehen, bzw. als dezentral verteilter Stromspeicher über das öffentliche Netz für andere kritische Verbraucher genutzt werden.

Lösung

Der Kern der im Forschungsprojekt »ReNew« entwickelten Innovation besteht aus der Übertragung der Energie in der Ladestation über ein Multiport-Gleichstrom (DC) -Verteilnetz mit 3 - 5 kV Spannung. Dieses wird über zentrale, netzdienliche Gleichrichter an das Mittelspannungs- oder Übertragungsnetz angeschlossen. In der Ladestation werden an den Ladepunkten isolierende DC-Wandler angeschlossen. Die beim MCS-Laden resultierenden hohen Ströme stellen hier eine große technische Herausforderung dar, sowohl aus System- als auch aus Komponentensicht. Daher werden, neben den leistungselektronischen Demonstratoren, induktive Bauelemente und DC-Schutzelemente entwickelt.

Die im Projekt zu entwickelnden isolierenden DC-Wandler sollen neben der Hauptfunktion als Ladeelektronik auch zur Anbindung von photovoltaischen Erzeugern eingesetzt werden können. Bei den zu entwickelnden Netzgleichrichtern liegt der Fokus in der Effizienz der netzdienlichen Regelungstechnik, dem modularen Aufbau und der Bidirektionalität, um die Stabilität im Netz der Zukunft zu gewährleisten. 

Durch den im Vorhaben gewählten Ansatz einer hohen DC-Verteilspannung im DC-Bus lässt sich der Ressourceneinsatz im Bereich der Kabel und anderer Systemkomponten reduzieren. Gleichzeitig können auf Grund der geringeren Ströme die Verluste im Betrieb reduziert werden. Im Konsortium werden die zentralen Komponenten (Netzgleichrichter, DC-Wandler, Halbleiter, Wickelgüter und DC-Schaltgerät) für das System in der entsprechenden Spannungsklasse entwickelt, aufgebaut und im Labormaßstab getestet.

Das Projekt »ReNew« wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) gefördert im Rahmen des 8. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung „Innovationen für die Energiewende“.