Schnelles Laden wird mit Stromverlust bezahlt

Schnelles Laden wird mit Stromverlust bezahlt

Der Ausbau der Ladeinfrastruktur entlang der Autobahnen nimmt Fernreisen mit dem Elektroauto die Reichweitenangst. Dem Schnellladen von Strom setzt allerdings die Physik Grenzen.

Laden | Von Angela Schmid |

Mit dem Elektroauto von Köln nach Frankfurt? Kein Problem: Strecken von 200 Kilometern schaffen die meisten Elektroautos heute locker ohne einen Ladestopp. Auch Reisen von Frankfurt nach München oder Frankfurt lassen heute bei erfahrenen Elektromobilisten keine Reichweitenängste mehr aufkommen. Denn das Netz an Schnelladestationen entlang der Autobahnen ist in den vergangenen Monaten rapide gewachsen. Allein Ionity hat bundesweit mittlerweile 106 Stationen in Betrieb, an denen Elektroautos mit einer CCS-Schnittstelle Gleichstrom mit Ladeleistungen von bis zu 350 Kilowatt aufnehmen können. Der niederländische Betreiber Fastned hat hierzulande ein Dutzend Schnellladestationen eröffnet, an denen ebenfalls "High-Power-Charging" (HPC) möglich ist.

Highspeed-Laden bei Elektroautos ist beliebt, weil es die Alltagstauglichkeit der Stromer deutlich erhöht. Autohersteller Porsche verspricht, dass 80 Prozent der Akkukapazität beim neuen Taycan (mit einem Akku von 90 kWh Speicherkapazität) bereits in 15 Minuten gefüllt sein wird. Beim Audi e-tron (maximale Ladeleistung 150 kW) dauert eine vollständige Ladung der Batterie an einer entsprechenden Ladesäule etwa eine halbe Stunde. Denn die volle Ladeleistung baut sich erst auf - und baut bei einem Füllstand von etwa 85 Prozent auch schnell wieder ab. Hinzu kommt: Rast der Strom mit 350 Kilowatt (kW) durch Ladegerät und Ladekabel, kommt längst nicht jede Kilowattstunde (kWh) im Akku an. Das hat physikalische Gründe. „Wo elektrischer Strom fließt, da gibt es Verluste“, bringt Stefan Reichert vom Fraunhofer-Institut für Solare Energie Systeme (ISE) in Freiburg, es auf den Punkt. Das ist beim Aufladen des Smartphones genauso wie beim E-Auto.

In Jettingen-Scheppach, in der Nähe der A8 zwischen Ulm und Augsburg, wird bereits der Prototyp einer Ladestation mit einer Leistung von bis zu 450 kW getestet. Serienautos sind dafür heute noch nicht ausgelegt. Vorerst wird daher ein Porsche-Forschungsfahrzeug mit einer Netto-Batteriekapazität von zirka 90 kWh eingesetzt. Damit sind ist in weniger als drei Minuten Fahrstrom für eine Strecke von 100 Kilometern an Bord. Über den Wirkungsgrad der Ladestation ist nichts bekannt. Aber: „Je höher die Ladeleistung, desto mehr Verluste entstehen dabei“, erklärt der Fraunhofer-Ingenieur.

Jede Leitung hat einen Widerstand, der zu einem Spannungsabfall und damit zu einer Verlustleistung führt, die in Wärme umgewandelt wird. Ladekabel beim High-Power-Charging (HPC) müssen daher gekühlt werden. Auch bei Porsche. Was den Nachteil hat, dass dafür zusätzliche Energie benötigt wird. Zu der Höhe der Verluste im Ladekabel will sich Porsche, der den Taycan im Herbst auf den Markt bringt, noch nicht äußern. Insgesamt würde der Wirkungsgrad vom Trafo bis zum Ladekabel bei 95 Prozent liegen, erklärt ein Unternehmenssprecher. Denn vor dem Ladekabel muss der Strom bei Gleichstrom (DC)-Ladesäulen zunächst noch das Ladegerät passieren, das beim Wechselstrom (AC)-Laden im Auto verbaut ist.

Onboad-Ladegeräte als Begrenzer

Verantwortlich dafür, dass nicht jede Kilowattstunde im Fahrzeug ankommt, ist neben dem Ladekabel in erster Linie das Ladegerät, das den Wechselstrom in Gleichstrom für die Batterie umwandelt. Denn bei jeder Wandlung von elektrischer Energie entstehen Verluste. „Hochfrequent geschaltete Leistungshalbleiter in den Ladegeräten schalten mehrere tausend Mal pro Sekunde und jeder Schaltvorgang bedeutet Verluste“, erklärt ISE-Experte Reichert.

Bei stationären Ladegeräten liegt der Wirkungsgrad bei über 95 Prozent. Das ist besser als bei On-board-Geräten, die für das gängige AC-Laden notwendig sind. „Im Elektroauto ein günstiges und kompaktes Ladegerät mit möglichst hoher Leistung zu verbauen, ist eine technische Herausforderung“, erklärt der Teamleiter für E-Mobility und Netzintegration. Im Spitzenbereich der kommerziell verfügbaren Ladegeräte beträgt der Wirkungsgrad bis zu 94 Prozent. Die Verluste können zwar durch den Einsatz teurer Komponenten reduziert werden. Das aber würde den Preis für das ohnehin noch kostspielige E-Auto weiter nach oben treiben. Reichert: „Die  Effizienz weiter zu steigern ist schwierig, ohne den Bauraum oder die Kosten weiter zu erhöhen.“  

Ladekabel mit Leistungsverlusten

Detaillierte Angaben zum Ladekabel macht auch ABB nicht, einer der weltweit führenden Hersteller von DC-Schnellladestationen. Deren "Terra High Power"-Ladestation mit einer Leistung von bis zu 350 kW versorgt nach Angaben des Schweizer Energiekonzerns Elektrofahrzeuge in nur acht Minuten mit Strom für eine Reichweite von 200 Kilometern. „Bei Volllast wird bei unserer Hochleistungs-Ladestation Terra HP ein Wirkungsgrad des Gesamtsystems von 95 Prozent erreicht. Dieser beinhaltet zum Beispiel die Leistungsverluste durch Gleichrichtung und Leitungskühlung“, erklärt Frank Mühlon, der global verantwortliche Geschäftsbereichsleiter für Ladeinfrastruktur Elektrofahrzeuge bei ABB. Dem Nutzer werde bei einer Abrechnung dieser vorgelagerte Leistungsverlust nicht berechnet, da möglichst nah am Übergabepunkt zum Fahrzeug gemessen werde. Mühlon: „Etwaige Verluste werden somit vom Betreiber bzw. Stromanschlussnehmer getragen.“

Beim Kabel hänge der Wirkungsgrad von der Länge und dem Querschnitt ab und davon, mit welcher Stromstärke geladen werde, erklärt Tobias Siebel von EGB Compleo aus Dortmund. Beim Standardkabel des Ladesäulenherstellers betrage der maximale Verlust beim DC-Laden etwa 0,16 Prozent, in der Leistungselektronik etwa sechs Prozent. „Um die Verluste in Leitungen zu verringern, wird bei DC-Ladestationen jetzt das gleiche Prinzip wie bei Hochspannungsleitungen verfolgt: Spannung hoch, damit sinkt bei gleicher Leistung der Strom und damit auch der Verlust in der Leitung“, erklärt Siebel.

Aber nicht nur Ladegerät und Kabel sorgen für Verluste. Auch die Batterie kann aufgrund ihres Innenwiderstands bei einer Schnellladung nicht den gesamten Strom nutzen, der ins Fahrzeug fließt. Dieser ist abhängig vom Verhältnis der Ladeleistung zur Kapazität. „Wenn eine große Batterie mit einer geringen Leistung geladen wird, entstehen in der Batterie fast keine Verluste. Wird dagegen eine kleine Batterie von zum Beispiel 24 Kilowattstunden mit einem großen Ladestrom von 43 Kilowatt geladen, entstehen nennenswerte Verluste“, erklärt der Fraunhofer-Wissenschaftler. Fachleute bezeichnen diese Verluste als C-Rate. Reichert: „Beim Highspeed-Laden kommt die Physik an ihre Grenzen.“

Laden mit drei Phasen

Beim etwas gemächlicheren AC-Laden etwa an öffentlichen Stationen in der Stadt kommt auch längst nicht der ganze Strom im Akku an. Das Ladekabel spielt hier allerdings keine Rolle: Es ist wie beim DC-Laden das Ladegerät an Bord des Autos, das den Stromfluss begrenzt. In einem Forschungsprojekt schafften Reichert und sein Team es, bei einem dreiphasigen Ladegerät mit einer Nennleistung von 22 kW einen Wirkungsgrad von 97 Prozent zu erreichen. Dafür ließen sie die galvanische Trennung weg, verwendeten stattdessen eine transformatorlose Schaltungstopologie und setzten neue Halbleiter aus Siliziumkarbid ein. Das bidirektionale Ladegerät kann die Energie nicht nur aus dem Netz beziehen, sondern auch wieder einspeisen – eine Technologie, über die neben dem Nissan Leaf bisher kaum ein E-Auto verfügt. Der Volkswagen ID.3 wird dazu erst ab Frühjahr 2021 fähig sein - Voraussetzung dafür sind auch geeignete Wallboxen für das Laden daheim. Die Entwicklung des Fraunhofer-Teams war zudem kompakt und damit sowohl für den stationären Einsatz wie auch für den Einsatz im E-Auto selbst geeignet. Leider konnte das Ladegerät bisher nicht kommerzialisiert werden. Das Interesse im Markt sei bislang vor allem aufgrund der höheren Kosten für die Halbleiter gering gewesen, bedauert Reichert.

Grundsätzlich könnten heute schon E-Autos auch mit Wechselstrom deutlich schneller geladen werden - wenn das Ladegerät des Fahrzeugs dreiphasiges Laden erlauben würde. Drei Phasen schaffen Ladeleistungen von bis zu 22 kW. Steht hingegen wie in vielen Fahrzeugen nur eine Phase zur Verfügung, liegt die Grenze für die Ladeleistung bei 4,6 kW. Die meisten Autohersteller bieten derzeit nur einphasige Ladegeräte an, da die Netze in außereuropäischen Ländern wie Nordamerika darauf ausgelegt sind. Der US-Autobauer Tesla etwa setzte in Deutschland schon immer dreiphasige Ladegeräte ein, obwohl das Model S oder X in den USA nur eine Phase verwendet kann. Und auch der kleine wie preiswerte Renault Zoe glänzt mit einer AC-Ladeleistung von 22 Kilowatt. Dafür kann der kleine Stromer - noch - keine DC-Schnelllader nutzen und ist damit trotz einer Reichweite von etwa 280 Kilometern nur eingeschränkt fernreisetauglich. Aber das wird sich bald ändern: Die nächste Generation des Modells, die am kommenden Montag in Paris vorgestellt wird, soll sowohl eine CCS-Schnittstelle haben und auch mit einer Geschwindigkeit von bis zu 100 kW Strom aufnehmen können, erfuhr EDISON aus Konzernkreisen.

 

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