Smart Charging: Alles, was Sie wissen müssen

Die Zahl der Elektrofahrzeuge weltweit wird bis zum Ende des Jahrzehnts voraussichtlich 230 Millionen erreichen, da Regierungen weiterhin in E-Fahrzeuge und Ladeinfrastruktur investieren, um dem Klimawandel entgegenzuwirken. Der steigende Strombedarf durch die zunehmende Zahl an E-Fahrzeugen stellt unser Stromnetz vor große Herausforderungen. Ungesteuertes Laden verursacht Nachfragespitzen, die das Stromsystem belasten und seine Kapazität möglicherweise überfordern. Die Elektromobilität ist auf ein widerstandsfähiges Stromnetz angewiesen, das durch technologische Lösungen unterstützt wird, welche die Auswirkungen von E-Fahrzeugen abmildern. Statt eine Katastrophe auszulösen, eröffnet dieses Szenario die Chance, unser heutiges Energiesystem zu verbessern und flexibler zu gestalten. Um Elektroautos nachhaltig im großen Maßstab zu laden, brauchen wir Smart Charging.

1. Was ist Smart Charging?

Smart Charging ist ein System, das Ladestationen überwacht, steuert und begrenzt, um den Energieverbrauch zu optimieren. Es ermöglicht die Kontrolle darüber, wann und wie schnell ein Elektrofahrzeug geladen wird, indem es mit dem Stromnetz verbunden wird. Smart-Charging-Techniken nutzen Zeit und Leistung und führen zu unterschiedlichen Ladeprofilen und Strategien, bei denen der Ladevorgang beschleunigt, verlangsamt oder gestoppt werden kann. Durch das automatische Laden von Elektrofahrzeugen außerhalb der Spitzenlastzeiten wird Netzüberlastung vermieden und die Belastung des Stromnetzes minimiert. Smart Charging passt die Nachfrage so an, dass jederzeit genügend Energie zur Verfügung steht, ohne die Netzkapazität zu gefährden. Außerdem ermöglicht es die Integration von mehr erneuerbaren Energiequellen wie Solar- und Windkraft in das Energiesystem.

2. Wie Smart Charging funktioniert

Smart Charging verbindet Ladepunkte mit Nutzerinnen und Betreiberinnen. Sobald ein Elektrofahrzeug angeschlossen wird, sendet die Ladestation Informationen wie Ladezeit und -geschwindigkeit an eine cloudbasierte Plattform für das EV-Lademanagement. Zusätzliche Daten über die Netzkapazität und die aktuelle Energienutzung werden automatisch übermittelt und von der Plattform analysiert. Auf Basis dieser Daten wird entschieden, wie und wann Elektrofahrzeuge geladen werden. Auf diese Weise können Netzbetreiber den Energieverbrauch über eine Plattform für das EV-Lademanagement aus der Ferne steuern, während Fahrer*innen über ihre mobile App Smart-Charging-Funktionen einstellen können.

3. Arten des Smart Charging

Smart Charging lässt sich in zwei Hauptarten unterteilen: nutzergesteuertes Laden (User-managed Charging, UMC) und anbieterbasiertes Laden (Supplier-managed Charging, SMC).

3.1. Nutzergesteuertes Laden

Derdie Fahrerin eines Elektrofahrzeugs nutzt zeitabhängige Stromtarife (Time-of-Use Pricing), um während der Nebenzeiten zu laden, wenn der Strom am günstigsten ist.

3.2. Anbieterbasiertes Laden

Das anbieterbasierte Laden und Entladen basiert auf verschiedenen Signalen wie der Echtzeit-Energieerzeugung, dem lokalen Energieverbrauch, Informationen zum Ladezustand usw. V2G, V2B und V2H sind fortschrittliche Formen des anbieterbasierten Ladens.

V2G Smart Charging kann Strom zurück ins Netz einspeisen und Ladepunktbetreiberinnen bzw. Netzbetreiberinnen dabei unterstützen, den Energieverbrauch zu steuern und den Anteil erneuerbarer Energien zu erhöhen.

V2B/V2H – Bei dieser Art des Ladens versorgen Fahrzeuge das Haus oder Gebäude mit Strom. Dank ihrer Speicherkapazität bieten Elektrofahrzeuge eine flexible Lösung für das Energiesystem.

4. Smart-Charging-Techniken

Smart Charging steuert den Ladevorgang Ihres Elektrofahrzeugs effizient, indem es über drei Haupttechniken mit dem Stromnetz verbunden wird: Lastverschiebung (Load Shifting), Lastspitzenkappung (Peak Shaving) und dynamisches Lastmanagement (Dynamic Load Balancing).

5. Die Vorteile von Smart Charging

Smart-Charging-Technologien sind darauf ausgelegt, die Effektivität und Effizienz des Energieverbrauchs zu verbessern. Das Laden zu Hause und am Arbeitsplatz erfolgt häufig während Zeiten hoher Nachfrage im Stromnetz. Ein intelligenteres Energiesystem kann die Spitzenlast verringern und die Nutzung kohlenstoffarmer, erneuerbarer Energiequellen maximieren.

5.1. Optimale Netznutzung

Smart Charging ermöglicht es Netzbetreibern, den Ladevorgang aus der Ferne zu überwachen, Verbrauchslimits festzulegen und sicherzustellen, dass die Energiekapazität an einem bestimmten Standort nicht überschritten wird.

Durch die Steuerung des Energieflusses entsprechend den Spitzen und Tiefpunkten der Energienachfrage schafft Smart Charging ein widerstandsfähiges Energiesystem, das Lastspitzen durch das Laden von Elektrofahrzeugen standhält. Darüber hinaus hilft die Nutzung von Smart Charging dabei, Netzüberlastungen zu vermeiden und spart Milliardeninvestitionen, die andernfalls für den Netzausbau erforderlich wären.

5.2. Niedrigere Stromrechnungen für Verbraucher*innen

Wenn eine Fahrerin seinihr Fahrzeug an ein intelligentes Ladegerät anschließt, beginnt der Ladevorgang nicht zwangsläufig sofort. Durch den Einsatz von smartem Ladezeitmanagement und zeitabhängigen Stromtarifen können Fahrerinnen sicher sein, dass sie Kosten und Energie sparen – indem das Fahrzeug automatisch dann geladen wird, wenn der Strom am günstigsten ist und innerhalb der vorher festgelegten maximalen Verbrauchsgrenzen.

5.3. Schnelleres und sichereres Laden

Smart Charging nutzt die optimal verfügbare maximale Ladegeschwindigkeit. Dies wird erreicht, indem verschiedene Faktoren berücksichtigt werden: die maximal verfügbare Leistung, die Ladeleistung des Fahrzeugs (je nach Marke und Modell unterschiedlich), andere gleichzeitig ladende Fahrzeuge, weitere Energieverbraucher, die Leistungskapazität der Ladestation sowie die Netzanschlussleistung.

5.4. Erhöhter Einsatz erneuerbarer Energien

Unsere zukünftigen Energiesysteme müssen erneuerbare Energiequellen einbeziehen. Elektrofahrzeuge bieten die Chance, ökologische Vorteile maximal zu nutzen und deutlich höhere Anteile erneuerbarer Energien in den gesamten Energiemix zu integrieren.

6. Die vier wesentlichen Ebenen des Smart Charging

6.1. Technische Ebene

Diese Ebene umfasst die Technologie (die Ladestation, das Fahrzeug und das EV-Lademanagementsystem) sowie die Daten, die Smart Charging ermöglichen. Drei zentrale Elemente sind für die technische Ebene entscheidend:

• Es muss eine Möglichkeit bestehen, ein Steuersignal zu senden und zu empfangen.
• Die Daten zu Stromverbrauch, Ladezustand und Preis müssen ausgetauscht werden.
• Die maximale Ladeleistung muss durch die Fahrzeugkapazität, den Typ der Ladestation und den Netzanschluss bestimmt werden.

Smart Charging wird durch ein EV-Lademanagementsystem ermöglicht, das Informationen vom Fahrzeug, der Ladestation oder sogar einem Heimenergiesystem nutzt, um zu bestimmen, wann und wie schnell ein Auto geladen werden soll. Ein Steuersignal, das den Ladevorgang starten und stoppen kann, ist die einfachste Form von Smart Charging. Für die optimale Nutzung von Smart Charging werden Daten über den Stromverbrauch, den Ladezustand der Batterie und weitere Parameter benötigt, wie in der nachstehenden Tabelle dargestellt.

Smart Charging optimiert den gesamten Energieverbrauch an einem Standort und minimiert die Kosten. Dabei werden die verfügbare Leistung am jeweiligen Ort, andere Energieverbraucher sowie die Verfügbarkeit erneuerbarer Energiequellen zur Unterstützung des Ladevorgangs berücksichtigt.

Neben dem Energieverbrauch muss Smart Charging auch die Vielfalt der Nutzer*innen berücksichtigen und die Ladegeschwindigkeit sowie den Zugang je nach Abonnement oder Tarifmodell priorisieren.

6.2. Kommunikationsebene

Die Ladestation, das Fahrzeug und das Energiemanagementsystem müssen sicher miteinander kommunizieren können. Je mehr Informationen im Rahmen des Datenaustauschs zur Verfügung stehen, desto besser lässt sich das System anpassen. Die Ladestation und das Managementsystem können fundiertere Entscheidungen treffen – basierend auf dem Ladezustand der Fahrzeugbatterie, der verbleibenden Zeit bis zur Abfahrt desder Fahrerin, der zurückzulegenden Strecke sowie der Verfügbarkeit erneuerbarer Energiequellen.

Es gibt drei Hauptmethoden der Kommunikation:

• Smart Charging über die Ladeinfrastruktur

Bei dieser Methode sendet der Netzbetreiber ein Signal über das Backend des CPMS an den Ladepunkt, wodurch das Fahrzeug schneller oder langsamer geladen werden kann.

• Smart Charging über das Fahrzeug

Bei dieser Methode erhält der Fahrzeughersteller Echtzeitinformationen über das Fahrzeug und kann Informationen an das Fahrzeug senden. Das Smart-Charging-Signal wird über den Fahrzeughersteller an das Elektrofahrzeug übermittelt, das daraufhin schneller oder langsamer zu laden beginnt.

• Smart Charging über das Energiemanagementsystem

Smart-Charging-Signale können auch über ein Energiemanagementsystem gesendet werden, das das Stromnetz vor Überlastung schützt, wenn Ladestationen für Elektrofahrzeuge an das Gebäude angeschlossen sind.

Die Rolle offener Kommunikationsstandards

Offene Standards in der Kommunikation zwischen Ladestationen, CPMS und Fahrzeugen sind entscheidend für Smart Charging. Sie ermöglichen allen Akteuren in der EV-Wertschöpfungskette den Zugriff auf Daten, deren Austausch und Erhebung – zur Verbesserung von Dienstleistungen und zur Planung zukünftiger Infrastrukturentwicklungen. Offene Standards fördern Innovation und Wettbewerb, was zu besseren Services und niedrigeren Preisen für Fahrer*innen von Elektrofahrzeugen führt.

• Open Charge Point Protocol (OCPP)

Dies ist ein offenes Kommunikationsprotokoll, das Ladestationen mit Back-End-Management-Softwarelösungen verbindet. OCPP gewährleistet nicht nur die Interoperabilität zwischen bestehenden und neuen Ladestationen für Elektrofahrzeuge, sondern trägt auch dazu bei, die wachsende Belastung des bestehenden Stromnetzes durch die Ermöglichung von dynamischem Lastmanagement zu verringern. Smart Charging erfordert die Übertragung von Steuersignalen – daher ist es entscheidend, dass Ladegeräte und Back-End-Systeme markenunabhängig miteinander kommunizieren können.

• ISO15118 

Neben der Sicherstellung der Kommunikation zwischen Ladepunkt und CPMS sollte auch das Elektrofahrzeug mit jeder Ladestation kommunizieren können. ISO 15118 ist ein Kommunikationsprotokoll zwischen E-Fahrzeugen und Ladepunkten, das genau dies ermöglicht. Es unterstützt „Plug and Charge“-Funktionen, bei denen die Autorisierung zum Starten des Ladevorgangs allein durch das Anschließen des Fahrzeugs an die Ladestation erfolgt – was das Ladeerlebnis für Fahrer*innen deutlich vereinfacht.

• The Open Automated Demand Response (OpenADR) 

OpenADR ist ein Kommunikationsprotokoll, das es Stromversorgern und Netzbetreibern ermöglicht, Demand-Response-(DR)-Ereignisse und Preisinformationen zu übermitteln. Es unterstützt Versorgungsunternehmen bei der Umsetzung neuer Ansätze zur Lastverschiebung, indem automatisch Nachrichten an Gebäude gesendet werden – etwa mit der Aufforderung zur Teilnahme an einem Lastereignis oder mit dem Hinweis auf eine Änderung des Strompreises.

6.3. Organisationsebene

Diese Ebene umfasst alle Akteure in der Wertschöpfungskette des EV-Ladens:

• Derdie Fahrerin eines Elektrofahrzeugs
• Der Fahrzeughersteller
• Der Ladepunktbetreiber (CPO)
• Der Elektromobilitätsanbieter (eMSP)
• Der Netzbetreiber
• Der Energieversorger

Sie alle haben unterschiedliche Bedürfnisse und Interessen in Bezug auf Smart Charging:

Fahrer*innen von Elektrofahrzeugen

EV drivers require a range of smart charging options as well as opt-in, opt-out and charge now options which supersede other limitations. They require the ability to choose whether to charge when electricity is cheapest or charge as sustainably as possible by using solar panels or other renewable energy sources.

Ladepunktbetreiber

Ladepunktbetreiber müssen den Mobilitätsbedürfnissen der Verbraucher gerecht werden und Flexibilitätsdienste anbieten – was zu einer zunehmenden Vielfalt an Geschäftsmodellen für CPOs führt.

Energieversorger

Energieversorger sind für eine kontinuierliche Stromversorgung verantwortlich. Daher können sie Smart Charging nutzen, um Systemungleichgewichte zu vermeiden und eine Lösung bereitzustellen, falls es zu unerwarteten Änderungen in der Energieversorgung kommt.

Netzbetreiber

Netzbetreiber müssen in der Lage sein, das Energiegleichgewicht im Stromnetz auch während der Spitzenlastzeiten aufrechtzuerhalten und verschiedene Formen erneuerbarer Energien zur Netzstützung einzusetzen. Smart Charging bietet hierfür eine Lösung, indem Elektroautos während hoher Nachfrage vorübergehend gar nicht oder nur langsamer geladen werden.

Smart Charging erfordert die Zusammenarbeit aller Akteure, um Regeln zu entwickeln, die den Bedürfnissen der Fahrer*innen von Elektrofahrzeugen gerecht werden, Nachhaltigkeitsziele erfüllen und tragfähige Geschäftsmodelle für kommerzielle Anbieter sichern.

6.4. Rechtliche Ebene

Der rechtliche Rahmen aus Verträgen, Gesetzen und Verordnungen bestimmt, wie und in welchem Umfang Smart Charging eingesetzt wird. Es gilt, wirksame gesetzliche Regelungen zu schaffen, innerhalb derer die Beteiligten zusammenarbeiten können.
Ein Beispiel für solche Vorschriften sind die neuen britischen Smart-Charging-Gesetze, die festlegen, dass ab Juni 2022 der Verkauf und die Installation von Ladepunkten für Zuhause und den Arbeitsplatz unzulässig sind, wenn diese nicht den „Electric Vehicles (Smart Charge Points) Regulations 2021“ entsprechen. Ziel dieser Vorschriften ist es, den Einsatz smarter Technologien zu maximieren, um das Stromnetz zu schützen und Verbraucher*innen durch günstigere Stromtarife zu entlasten. Einige Anforderungen werden von den Herstellern erfüllt, andere vom EV-Lademanagementsystem, das zum Betrieb der Ladepunkte eingesetzt wird. Das bedeutet, dass Unternehmen sowohl die passenden Ladegeräte als auch das richtige CPMS benötigen, um den britischen Vorschriften zu entsprechen und diese Ladepunkte verkaufen zu dürfen.

7. Zukünftige Chancen für Smart Charging

7.1. Virtuelle Kraftwerke (Virtual Power Plants, VPP)

Ein virtuelles Kraftwerk (Virtual Power Plant, VPP) ist ein Zusammenschluss dezentraler Energiequellen, die aus der Ferne als eine Einheit gesteuert werden können. Es integriert verschiedene Energiequellen, um eine zuverlässige Gesamtstromversorgung bereitzustellen. Betrachtet man nur ein einzelnes Elektrofahrzeug, ist dessen Flexibilität begrenzt. Werden jedoch viele E-Fahrzeuge gebündelt, ergänzen sie sich gegenseitig – und ergeben gemeinsam ein virtuelles Kraftwerk. VPPs können genutzt werden, um im Rahmen von Demand-Response-Märkten Flexibilität bereitzustellen, und werden eine immer wichtigere Rolle in der Energiewende spielen. Der Markt für diese Art von Flexibilität ist groß, insbesondere im Wohnbereich jedoch bislang kaum erschlossen. Unternehmen, die es schaffen, große VPPs mit privaten Elektrofahrzeugen aufzubauen, werden erheblichen Mehrwert generieren.

7.2. Bidirektionales Laden – V2G, V2H, V2X

Der nächste Schritt im Smart Charging ist das bidirektionale Laden, bei dem das Fahrzeug als Energiespeicher genutzt wird. Dies wird als V2G oder V2X bezeichnet. Der in Elektrofahrzeugen gespeicherte Strom kann genutzt werden, um Haushalte zu versorgen oder sogar ins Netz zurückgespeist zu werden. Elektrofahrzeuge können das Stromnetz in Zeiten hoher Nachfrage unterstützen oder lokal erzeugte Energie aus erneuerbaren Quellen speichern und sie am Abend bereitstellen. Dieses Konzept befindet sich noch weitgehend im experimentellen Stadium und erfordert weitere Entwicklungen, um einen effizienten und zuverlässigen Einsatz zu gewährleisten.

8. Softwaregestützte Lösungen und Innovationen im Smart Charging

Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen wird das Management des Ladevorgangs entscheidend, um die Kosten zu senken und die Auswirkungen auf das Stromnetz zu minimieren. Ohne skalierbare Smart-Charging-Funktionen und Anreize, die das Verhalten der Fahrer*innen mit kostengünstigeren Ladezeiten in Einklang bringen, wird das Stromnetz voraussichtlich teure infrastrukturelle Erweiterungen benötigen. Smart-Charging-Technologien und -Funktionen fördern erfolgreich die Teilnahme von E-Fahrzeugfahrern, stabilisieren die Stromnachfrage und nutzen erneuerbare Energiequellen effektiv.

In Zukunft werden technologische Entwicklungen, die auf offenen Protokollen, smarter Hardware und flexiblen Softwareplattformen basieren, weitere Vorteile für Smart Charging bieten. Um wettbewerbsfähig und auf dem neuesten Stand zu bleiben, müssen Betreiber von E-Ladestationen langfristig denken und Geschäftspartner wählen, die ihnen ermöglichen, sich an Veränderungen der Branche anzupassen.

AMPECO ist ein weltweit führendes Unternehmen im Bereich der Software für das EV-Lademanagement und bietet Netzbetreibern eine All-in-One-Lösung, die Energieherausforderungen mit Smart-Charging-Funktionen adressiert. Es ermöglicht Demand Response und die Automatisierung dezentraler Energien mit OpenADR. AMPECO verbindet Haushalte und Unternehmen mit Versorgungsunternehmen, um Stromschwankungen zu managen, indem der Energieverbrauch in Reaktion auf die Netzanforderungen angepasst wird. Die API von AMPECO integriert sich nahtlos mit Smart Metern, Gebäude-Management-Systemen und erneuerbaren Energiequellen, um die Effizienz zu maximieren.

Im Markt für Heimladeinfrastruktur können Netzbetreiber den Hauseigentümern Effizienz und Komfort mit Smart-Charging-Funktionen bieten, wie zum Beispiel flexible Stromtarife und intelligentes Ladezeitmanagement, um Kosten zu senken.