Ladetechnik von Elektroautos — So tanken wir Strom – jetzt und in Zukunft

Der Erfolg von Elektroautos hängt weniger von den Modellen ab, sondern von Ladetechnik und Infrastruktur. Anstelle vieler Insellösungen und verschiedener Standards entwickelt sich zunehmend eine einheitliche Technik. Wir erklären die Unterschiede.

Einfach den Stecker in die heimische Steckdose und das Elektroauto mal eben „volltanken“: So würden es sich wohl die meisten Verbraucher wünschen. Doch die Realität sieht anders aus. Tatsächlich müssen sich Interessenten bereits vor dem Kauf intensiv mit der Ladetechnik der verschiedenen Hersteller und Modelle auseinandersetzen, um die richtige Entscheidung zu treffen. Denn Ladestandards und Systemvoraussetzungen unterscheiden sich stark.

Im Pkw wird es auf absehbare Zeit bei der sogenannten konduktiven Ladung bleiben – also die Batterieladung per Kabel. Zwar wird an induktiven Lösungen geforscht, bei denen berührungsfrei Strom getankt werden kann, doch diese Technik ist derzeit noch nicht wettbewerbsfähig. So kostet das „Wireless Charging“ für den BMW 530e 3.200 Euro und kann nur mit maximal 3,2 kW laden. Zusätzlich muss die Ladestation auf wenige Zentimeter genau angefahren werden.

Auch die Möglichkeit, den Akku auf Basis eines Pfandsystems einfach zu tauschen, ist derzeit noch in weiter Ferne. Bei Elektro-Rollern hat dies zwar durchaus Zukunftspotential und wird von einigen Anbietern bereits in die Tat umgesetzt – mit innerstädtischen Akku-„Automaten“ zum einfachen Tausch leer gegen voll. Allerdings ist das Konzept bei Pkw derzeit nicht wirtschaftlich darstellbar – obwohl auch hier zuletzt vom chinesischen E-Autobauer Nio ein neues Konzept vorgestellt wurde. Doch ohne über alle Fabrikate hinweg genormte Akkus hat dies nur wenig Zukunft.

Kabel bleibt gesetzt – aber welcher Stecker?

Bleibt also das Ladekabel – und damit die Qual der Wahl. Dabei gilt es, sowohl bei der Stromart (Wechselstrom, AC und Gleichstrom, DC) sowie bei der potentiellen Leistung der Ladeeinrichtung und der Steckernorm zu unterscheiden.

Die einfachste und am weitesten verbreitete Lösung ist ein Ladekabel für den sogenannten Typ-2-Stecker für AC-Ladung, über die praktisch jedes aktuelle Elektroauto verfügt. Mit diesem Ladesystem ist es theoretisch auch tatsächlich möglich, über eine normale Haushaltssteckdose mit 230V Wechselstrom den Fahrzeugakku zu befüllen. Die Nachteile bei so kleinen Ladeströmen sind jedoch groß. Durch die geringe Ladeleistung dauert selbst das Befüllen der verhältnismäßig kleinen Traktionsbatterie eines Plug-in-Hybridfahrzeugs mehrere Stunden. Zudem muss unbedingt darauf geachtet werden, dass die jeweilige Steckdose beziehungsweise ihre Zuleitung überhaupt für die dauerhafte hohe Stromentnahme ausgelegt ist, da sonst Kurzschluss- und Brandgefahr droht. Übliche 230-Volt-Haushaltssteckdosen sind mit maximal 16 Ampere abgesichert, weshalb die maximale Ladeleistung auf 3,7 kW begrenzt ist. Speziell bei älteren Haus-Installationen kann sogar eine noch niedrigere Absicherung vorliegen. Für das Aufladen einer großen Traktionsbatterie in einem reinen Elektrofahrzeug ist diese Variante mit einer sogenannten „ICCB“ (In Cable Control Box) daher nur schlecht geeignet. Schon bei einer verhältnismäßig kleinen Traktionsbatterie mit 40 kWh Kapazität würde der Ladevorgang bis zu einem Tag lang dauern. Im Handel erhältliche Ladekabel für den Anschluss an Schuko-Steckdosen sind deshalb eher als Notbehelf oder für das schnelle Zwischenladen unterwegs zu sehen. Ähnliches gilt für die von Herstellern mitgelieferten Ladekabel für den 230V-Anschluss. Der Kunde sollte sich ein (mehrere hundert Euro teures) Ladekabel für höhere Ladeleistungen kaufen.

Zu Hause hilft „Starkstrom“

Vor allem Eigenheimbesitzer können auf eine weitere Variante setzen, die Wohnungsmietern in Großstädten allermeistens verwehrt bleibt: die sogenannte Wallbox. Hier wird vom Elektriker eine spezielle Ladeeinrichtung mit dem mehrphasigen 400V-Anschluss installiert – die umgangssprachlich „Kraftstrom“ oder „Starkstrom“ genannte Variante, mit der zum Beispiel auch Küchenherde angeschlossen werden. Die Ladeleistung einer solchen Wallbox liegt bei bis zu 44 kW (üblich sind jedoch 11 oder 22 kW) und eignet sich daher auch dazu, ein leistungsstarkes E-Auto vergleichsweise zügig zu „betanken“. Bei einem typischen Elektroauto-Verbrauch von 15 bis 20 kWh pro 100 Kilometer ließe sich damit pro Stunde etwa 100 bis 150 Kilometer Reichweite nachladen. Allerdings dauert das Vollladen von Akkus mit größerer Kapazität auch hier mehrere Stunden und geschieht idealerweise über Nacht. Zudem ist bereits die Installation einer 22 kW-Wallbox von einer Genehmigung durch den Stromversorger abhängig, weshalb in aller Regel 11 kW-Anschlüsse realisiert werden.

Wer keine Wallbox installieren möchte, kann außerdem auf die vor allem im ländlichen und gewerblichen Bereich oft verfügbaren dreiphasigen CEE-400V-Steckdosen zugreifen, mit denen je nach Absicherung (16 oder 32 Ampere) Kapazitäten bis zu 22 kW bereitgestellt werden können. So bietet beispielsweise Renault eine mobile Ladestation an, die an solche CEE-Steckdosen gekoppelt werden kann. Auch im freien Handel gibt es bei den einschlägigen Anbietern von Ladetechnik entsprechende Ladekabel zu kaufen.

Viele öffentliche Ladesäulen nicht für Schnellladung

Die wichtigste Rolle bei der Versorgung von E-Autos werden künftig jedoch öffentlich zugängliche Ladepunkte mit hohen Ladeleistungen spielen. Aktuell sind vor allem Ladesäulen mit Leistungen von 11 und 22 kW weit verbreitet, die über Typ-2-Anschlüsse mit Wechselstrom verfügen, auch bekannt als „Mennekes-Stecker“ (nach der Entwicklungsfirma Mennekes benannt). Dieser Anschlusstyp ist EU-weiter Standard, eignet sich jedoch nicht für das Schnellladen in wenigen Minuten auf Fernstrecken. Ideal sind solche Säulen hingegen für eine kurze Auffrischung des Akkus beispielsweise beim Einkaufen, weshalb auch zunehmend Supermärkte entsprechende Säulen auf ihren Parkplätzen zur Verfügung stellen.

Zu beachten ist hierbei allerdings auch, mit welcher Leistung die Ladegeräte der jeweiligen E-Autos arbeiten. Um den Netz-Wechselstrom (AC) in den für die Traktionsbatterie benötigten Gleichstrom (DC) umzuwandeln, sind in Elektroautos entsprechende Ladegeräte verbaut. Deren Leistung variiert jedoch von Hersteller zu Hersteller, und längst nicht jedes aktuelle Modell ist in der Lage, an einer Typ-2-Ladestation dreiphasig mit der vollen Leistung von 22 kW zu laden. So erlaubt beispielsweise der aktuelle Nissan Leaf am Typ-2-Anschluss eine maximale Ladeleistung von lediglich 6,6 kW, der neue Kia eNiro beschränkt die Wechselstrom-Ladung auf 7,2 kW.

Mit einer neuen Idee trat der Volkswagenkonzern zum Jahreswechsel 2018/2019 an die Öffentlichkeit. Die Wolfsburger planen ein System mobiler Schnellladesäulen, die einfach auf entsprechenden Standflächen aufgestellt werden können und ihren Ladestrom in ausgedienten Fahrzeugakkus speichern. Wahlweise soll auch ein Festnetzanschluss möglich sein. Ist die Säule „leer“, wird sie in der Planung von VW einfach gegen eine frische ausgetauscht. Ein System, welches dem mobiler Toilettenhäuschen nicht unähnlich ist. Diese „Powerbank für E-Fahrzeuge“ soll nicht nur an festen Standplätzen, sondern beispielsweise auch auf den Parkplätzen von Großveranstaltungen eingesetzt werden. Mitte 2019 geht VW in Wolfsburg mit mehreren Säulen in den Probebetrieb und will anschließend 2020 bundesweit in den Einsatz gehen.

Schnelles Laden braucht starke Säulen

Für das speziell bei Überlandfahrten wichtige Schnellladen setzten die meisten asiatischen Autohersteller bis 2018 auf das 2010 vorgestellte CHAdeMO-System mit Gleichstrom, das sich in Europa jedoch wahrscheinlich nicht flächendeckend durchsetzen wird. Hier gilt es also zu beachten, dass mit CHAdeMO-System ausgerüstete Fahrzeuge in der Praxis wohl hauptsächlich über den Typ-2-Stecker geladen werden können. Es gibt allerdings Überlegungen, die neuen CCS-Ladestationen künftig auch mit CHAdeMO-Anschlüssen auszurüsten, doch gesichert ist dies nicht.

In der EU wird sich auf absehbare Zeit ein anderes System als Standard durchsetzen, das „Combined Charging System“ (CCS). Diese Norm, auf die sich US-amerikanische und europäische Hersteller geeinigt haben, ermöglicht neben dem Laden per Typ-2-Anschluss auch das DC-Schnellladen mit einem eigenen Steckertyp und Kommunikationsprotokoll. In Deutschland muss nach der 2016 in Kraft getretenen Ladesäulenverordnung jeder seitdem neu errichtete öffentlich zugängliche Ladepunkt sowohl über einen Typ-2- als auch über einen CCS-Anschluss verfügen – damit ist CCS zum Quasi-Standard erklärt worden. Zuletzt hat sich auch Hyundai/Kia mit den neuen Elektroautos des Konzerns für den CCS-Standard entschieden.

Tatsächlich werden es vor allem die Schnellladestationen sein, die letztendlich eine flächendeckende Verbreitung von E-Autos möglich machen. Binnen 15 bis 20 Minuten genug Reichweite für einige hundert Kilometer Fahrstrecke bereitzustellen, wird auch viele skeptische Autokäufer überzeugen. Dass hierbei oft die Ladezeit bis zu 80 Prozent der Akkukapazität angegeben wird, hat übrigens einen einfachen Grund: Ab diesem Füllgrad wird üblicherweise die Ladeleistung von der Fahrzeugelektronik gedrosselt, um den Akku zu schonen. Die restlichen 20 Prozent benötigen daher eine prozentual deutlich längere Ladezeit.

Nicht jede Batterie kann schnell laden

Doch selbst hier muss der Käufer sich vorab informieren, wie das Wunschfahrzeug auf die Schnellladung reagiert. Ein Knackpunkt hierbei ist die Batteriekühlung. Weil die Wärmeentwicklung beim Schnellladen deutlich höher als an Standard-Stationen ist, wird eine effektive Kühlung der Traktionsbatterie benötigt. Wie wichtig das ist, zeigt der neue Nissan Leaf, bei dem es bei wiederholtem Schnellladen auf längeren Strecken aus Sicherheitsgründen zu einer Reduktion des Ladestroms kommt, um die (luftgekühlte) Batterie nicht zu überhitzen.

Ionity als Joint Venture

In das Thema Schnellladesäulen kommt seit 2017 neuer Schwung: Mit dem Unternehmen Ionity, einem gemeinsam von Ford, Mercedes, BMW und dem Volkswagen-Konzern gegründeten Joint-Venture, soll bis 2020 ein EU-weites Netz von 400 Hochleistungs-Ladestationen entlang der Hauptverkehrsstraßen entstehen. Ziel ist die Verfügbarkeit solcher Ladestationen im Abstand von maximal 120 Kilometern. Die High-Power-Charging-Stationen (HPC) sind für eine Ladeleistung von maximal 350 kW geplant – auch wenn so hohe Ladeströme derzeit noch von keinem Elektroauto „verdaut“ werden können. Bis 2020 will Ionity mit dem Ausbau fertig sein, die Ladestationen entstehen größtenteils bei konventionellen Tankstellen für Verbrennerfahrzeuge.

Gleichzeitig denken auch die Hersteller weiter. So hat Porsche in Berlin als Pilotprojekt eine 800-Volt-Stromtankstelle installiert, welche den Porsche Taycan als erstes Serienauto mit 800V-Technik in 20 Minuten volltanken kann. Gleichzeitig investiert Porsche auch gemeinsam mit BMW in das Forschungsprojekt Fast Charge, das ebenfalls mit Hochvolttechnik (bis zu 920 Volt) arbeitet und bis zu 450 kW Ladeleistung anbietet. Eine entsprechende E-Tankstelle wurde im Dezember 2018 an der Autobahn A8 in Betrieb genommen.

Tesla ist schon weiter

Eine Besonderheit sind die Modelle des US-Herstellers Tesla. Für die Europaversionen seiner E-Autos hat sich Tesla ursprünglich auf den Typ2-Mennekes-Stecker festgelegt und erlaubt so die Beladung der Traktionsbatterie an entsprechenden öffentlichen AC-Ladestationen und Wallboxen. Die Tesla-Supercharger, das bis dato weltweit am dichtesten vorhandene Netz an Ladestationen im öffentlichen Raum, verwenden den identischen Typ-2-Stecker mit einem eigenen Ladeprotokoll zur DC-Ladung. Hierdurch wird wie bei anderen Schnellladesystemen das Ladegerät des Autos umgangen und die Traktionsbatterie direkt von der Supercharger-Station befüllt.

Daher (und wegen der entsprechenden Kommunikationsprotokolle) ist es für andere Fahrzeuge mit CCS- oder CHAdeMO-System jedoch nicht möglich, an Tesla-Superchargern Strom zu tanken. Hingegen bietet Tesla seinen Kunden einen Adapter an, um an CCS-Säulen eine DC-Schnellladung zu ermöglichen. Außerdem gab Tesla Ende 2018 bekannt, die Europa-Version des Model 3 ab Werk mit einem CCS-Ladeanschluss auszustatten.

Keine Angst vor Stromschlägen

Angst vor einem „Stromschlag“ muss man bei so hohen Ladeleistungen übrigens nicht haben: Dafür sorgt ein Ladeprotokoll, mit dem Ladestation und Fahrzeugelektronik kommunizieren. Erst wenn der Ladestecker korrekt im Fahrzeug eingesteckt und verriegelt ist und sich Fahrzeug und Ladestation über diverse Betriebszustände ausgetauscht haben, wird der Ladevorgang freigegeben.

Quelle: http://www.auto-motor-und-sport.de/tech-zukunft/alternative-antriebe/technik-erklaert-so-tanken-wir-in-zukunft-das-elektroauto/

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