Verkehrswende im Netz

Je länger, je mehr wird die E-Ladeinfrastruktur zum Tagesgeschäft der Netzbetreiber im Bundesgebiet gehören. Das wird vielfältige Auswirkungen haben. Forschung und Zuliefererindustrie beschäftigen sich mit dem Thema bereits seit geraumer Zeit.

11. Oktober 2019
Verkehrswende im Netz
Bild: A. Eberle (Bild: Christian Pitz Medien)

Binnen eines Jahres ist es gelungen, die Anzahl der öffentlichen Ladepunkte von 13.500 auf 20.650 zu steigern. Das ist ein Zuwachs von fast 50 Prozent, so der Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW) Mitte August in einer Mitteilung. »Vor allem die Energiewirtschaft hat hier ordentlich Tempo gemacht – sie betreibt drei Viertel aller öffentlichen Ladepunkte«, so der Verband. Der Anteil der Schnellladestationen liegt demnach bei rund 12 Prozent.

Strukturwandel im Verkehrswesen

Dringender Handlungsbedarf bestehe hingegen beim Ausbau privater Ladeinfrastruktur, so der BDEW. Denn etwa 85 Prozent der Ladevorgänge finden zu Hause oder am Arbeitsplatz statt. Das alles sind Belege dafür, dass die E-Mobilität den Status als Hype und Medienthema überwunden hat. Ihr aktueller Status heißt ›In Umsetzung‹. »Die Stromnetze sind ohnehin bereit: Sie könnten schon heute bis zu 13 Millionen E-Autos laden – das entspricht 30 Prozent des deutschen Pkw-Bestandes«, so der BDEW. Je länger, je mehr wird die E-Ladeinfrastruktur zum Tagesgeschäft der Netzbetreiber im Bundesgebiet gehören. Das wird vielfältige Auswirkungen haben. Damit beschäftigen sich Forschung und Zuliefererindustrie bereits seit geraumer Zeit; konkret geht es um die Frage, welche Folgen die Verkehrswende in Deutschland für den Netzbetrieb auf allen Spannungsebenen haben wird und wie dem zu begegnen ist.

Ladeverhalten untersucht

Der Mess- und Regeltechnikspezialist A. Eberle aus Nürnberg hat voriges Jahr eine Publikation veröffentlicht über den Zusammenhang von E-Mobilität und Spannungsqualität, in Fachkreisen kurz PQ oder Power Quality genannt.

Darin werden die Bewertungen von Supraharmonischen bis 150 kHz bei E-Fahrzeugen an der TH Bingen vorgestellt. Die Hochschule hat 2016 und 2017 eine umfangreiche Messkampagne durchgeführt; E-Autos verschiedener Hersteller wurden nach Ladeverhalten sowie deren Netzrückwirkungen bewertet. »Wir setzen schon über die letzten zehn Jahre den Schwerpunkt auf Power-Quality-Systeme«, sagt A.-Eberle-Geschäftsführer Till Sybel. »Das heißt, wir setzen auf langzeitige und unterbrechungsfreie, zentrale Aufzeichnungen der wichtigsten Netzparameter, um unseren Kunden die Möglichkeit zu geben, frühzeitig kosteneffiziente Gegenmaßnahmen treffen zu können.«

Seit mehr als zehn Jahren setzen wir den Schwerpunkt auf Power- Quality-Systeme.

— Till Sybel A. Eberle

Aktuell bestehe nach seinen Worten vor allem in der Niederspannung Handlungsbedarf. Zukünftig auch in der Mittelspannung. »Wesentlich ist der Gesetzgeber. Welche Anreize werden zukünftig geschaffen, um E-Mobile ordentlich laden zu können?«, so Sybel. E-Fahrzeuge und modere Leistungselektronik können Netzrückwirkungen weit oberhalb von 2,5 kHz erzeugen. Für diese Frequenzen wird es A. Eberle zufolge in Zukunft Verträglichkeitspegel für das öffentliche Netz geben. Aber das Messverfahren sei noch nicht festgelegt, heißt es.

Netzrückwirkungen

Die PQ-Box 300 von A. Eberle erfasst den Bereich bis 170 kHz für eine permanente Messaufgabe. Das Messgerät ist laut Herstellerangaben für 200-Hz- und 2-kHz-Frequenzbänder frei einstellbar. So ist es auch für zukünftige Normänderungen gewappnet. Ferner kann für die Aufzeichnung ein anderes Messverfahren als für die zeitgleich stattfindende Onlinemessung gewählt werden.

Binnen eines Jahres ist die Zahl der öffentlichen Ladepunkte um fast 50 Prozent auf 20.650 gestiegen.

— BDEW

Damit Netzbetreiber den Herausforderungen der Verkehrswende, speziell dem Zusammenhang von E-Mobilität und Power Quality begegnen können, empfiehlt Sybel den Einsatz mobiler Netzanalysatoren. »Bei E-Mobilen insbesondere die PQ-Box 300, die eine dauerhafte Aufzeichnung der durch E-Mobile verursachten, hochfrequenten Netzrückwirkungen bis 150 Kilohertz erlaubt.«

PQ-Box-Produktfamilie

Das Messgerät ist Teil einer Produktfamilie mit insgesamt vier Mitgliedern; die PQ-Box 50 ist als universeller Netzanalysator, die PQ-Box 150 als Allrounder konzipiert; die PQ-Box 200 ist laut A. Eberle das Werkzeug für PQ-Experten, die PQ-Box 300 das Werkzeug für hohe Frequenzbereiche. Alle Geräte erfüllen die Schutzklasse IP 65, damit man sie im Freien betreiben kann.

Beim Test der TH Bingen lagen die Taktfrequenzen der gemessenen Fahrzeuge bei acht und 50 kHz bei den verschiedenen Herstellern. Des Weiteren gab es große Unterschiede in der Pegelhöhe der Schaltfrequenzen der Testautos. Diese lagen zwischen zwei Volt bei Fahrzeugen mit schlechten Filtermaßnahmen und großen Störpegeln und nicht messtechnisch erkennbaren Werten bei Fahrzeugen mit extrem kleinem Störpegel.

Fakt

Netzanalysator PQ-Box 300

Störungsaufklärung

Bewertung der Spannungsqualität nach EN 50160 und IEC 61000-2-2/-2-4

Frequenzanalyse DC bis 170 kHz

Lastanalysen und Energiemessung

Kostenlose Software für alle PQ-Boxen (50/100/150/200/300)

»Im Bereich der Ladesäuleninfrastruktur werden oft unsere fest installierbaren Geräte eingebaut, um nicht nur temporär, heißt verursacherbezogen, sondern kontinuierlich zu messen«, so Sybel. Dabei gehe es den Netzbetreibern auch darum, Messwerte in Leitsysteme zu übertragen. Mit dem Ziel, neben der Power Quality parallel Livedaten wie beispielsweise Lastgänge zu visualisieren.

In der Untersuchung der TH Bingen wurden die Testautos parallel geladen, um das gegenseitige Beeinflussen von E-Fahrzeugen in verschiedenen Konstellationen zu bewerten. Dabei stellte man fest, dass, wenn die Fahrzeuge parallel an derselben Ladesäule Autostrom tanken, Fahrzeug eins im Netz die Störsenke für die Supraharmonischen des Nachbarautos ist.

Konkret wurde eine 10-kHz-Schaltfrequenz gemessen. Fast alle Testautos, die einphasig geladen wurden, nutzten die Phase L1. Nur ein Fahrzeug nutzte die Phase L3. »Dies kann später bei größerer Fahrzeugdichte in einem Versorgungsnetz ein echtes Problem für die Überlastung der Phase L1 bedeuten«, heißt es in der A.-Eberle-Publikation.

Unsymmetrie in den Netzausläufern

Des Weiteren ergab sich in den Netzausläufern eine große Unsymmetrie; einige Testautos stellten gegen Ende des Ladevorgangs selbstständig von dreiphasiger Ladung auf eine einphasige Ladung um. Dazu nutzten die Fahrzeuge die Phase L1.

Interview - »Ein Schwerpunkt unserer täglichen Arbeit«

Fabian Leppich von A. Eberle über den Ausbau der E-Mobilität und die Auswirkungen für die technische Qualität der Stromnetze.

<i>A. Eberle befasst sich schon einige Zeit mit dem Zusammenhang von E-Mobilität und Power Quality. Welche allgemeinen Empfehlungen haben Sie für die Netzverantwortlichen im Bundesgebiet?</i>

Viele Messungen mit unseren PQ-Boxen, zum Teil auch mit unseren fest installierbaren Geräten, zeigen, dass die Netzintegration der E-Mobilität zu Beginn schwierig war, weil Hersteller von Automobilen nicht mit den aktuellen PQ-Normen einhergingen.

Mittlerweile ist das Thema aber nicht nur bei den Herstellern, sondern auch bei den Netzbetreibern platziert, die sich nun mit zusätzlichen Netzausbaumaßnahmen in der Niederspannung oder ›intelligenten‹ Lösungen wie unserem Niederspannungsregelsystem LVRSys auseinandersetzen müssen. Parallel dazu müssen Energieversorger immer mehr mit Netzrückwirkungen im höheren Frequenzbereich, außerhalb der Norm EN 50160, umzugehen lernen.

<i>Smart Grid, Netzausbau, Integration der Erneuerbaren: Netzbetreiber und deren Zulieferer haben viel zu tun. Welche Wertigkeit haben die Themen Power Quality und E-Mobilität für A. Eberle?</i>

Diese Themen sind mittlerweile ein Schwerpunkt unserer täglichen Arbeit. Gerade die notwendige Weiterentwicklung der Power-Quality-Normen (IEC 61000–4–30 Klasse A, IEC 61000–2–2) sowie der Anschlussrichtlinien VDE-TAR-4100/4105/4110 ist für uns immer wieder eine neue Herausforderung, der wir uns gerne zusammen mit unseren Kunden mit kontinuierlicher Weiterentwicklung unserer Produkte entgegenstellen.

<i>Der Ausbau der E-Mobilität läuft, er wird zehn Jahre und länger dauern. Ist damit zu rechnen, dass Netzbetreiber sich wiederkehrend mit Power Quality und E-Mobilität befassen müssen, je nach Stand des Ausbaus?</i>

Natürlich! Power Quality ist keine Eintagsfliege. Beispiele aus der Vergangenheit zeigen, dass kurzfristige Lösungen oft zu unnötigem und nachträglichem Invest führen. Langzeitanalysen, unser Systemgedanke, sind hier unbedingt empfehlenswert.

<i> Ist das Thema Power Quality und E-Mobilität allein aus technischer Sicht wichtig oder sollten sich auch die kaufmännischen Geschäftsführer der Netzbetreiber damit befassen?</i>

Das ist heute schon zum Teil der Fall. Eine gut durchdachte Power-Quality-Strategie führt schon mittelfristig zu stabileren Netzen und trägt langfristig auch zur Erhaltung der Assets bei. hd

Erschienen in Ausgabe: 06/2019