Fakultät für Anlagen, Energie- und Maschinensysteme
Fraunhofer Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation
Masterarbeit
Konzept für eine barrierefreie Ladeinfrastruktur für
E-Mobile in der Europäischen Union
von
Stefan Hiltrop
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Master of Science (M.Sc.)
Erneuerbare Energien
Referent: Prof. Dr. Eberhard Waffenschmidt, FH Köln
Korreferent: Dr.-Ing. Sabine Wagner, Fraunhofer IAO
Ausgabe: 05.03.2014
Abgabe: 14.07.2014
Konzept für eine barrierefreie Ladeinfrastruktur für E-Mobile in
der Europäischen Union
Concept for a barrier free charging infrastructure for e-mobiles
in the European Union
Masterarbeit von
Stefan Hiltrop
Matrikel-Nr.: 11093417
an der Fakultät für Anlagen , Energie- und Maschinensysteme der Fachhochschule Köln,
für das Fraunhofer Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation
Ausgabe: 05.03.2014
Abgabe: 14.07.2014
Referent: Prof. Dr. Eberhard Waffenschmidt, FH Köln Korreferent: Dr.-Ing. Sabine Wagner, Fraunhofer IAO
Seiten: 77 Abbildungen: 33 Tabellen: 20
Keywords: barrierefreie Ladeinfrastruktur, Elektromobilität, EU, Normen, Roaming, Netzvoraus-
setzungen, Technologiebewertung, Morphologischer Kasten, Nutzwertanalyse, Quali-
ty-Function-Deployment
Kurzfassung:
Elektromobilität ist ein Schlüssel zu einer nachhaltigen Mobilität, mit der die Abhängigkeit von Erdöl sowie verkehrsbedingte Umweltauswirkungen reduziert werden können. Die öffentliche Ladeinfra-
struktur ist dabei ein wesentlicher Teil, um Elektromobilität voranzutreiben, in der Öffentlichkeit
wahrnehmbarer zu machen und bestehende Reichweitenängste abzubauen. In dieser Masterarbeit
wird anhand von Technologiebewertungsmethoden ein Konzept für barrierefreie Ladeinfrastruktur in
der EU entwickelt. Im ersten Teil wird das Begriffsumfeld Ladeinfrastruktur und der Stand der Tech-
nik dargestellt. Technische Komponenten für den Ladevorgang und der Zusammenhang zwischen den
beteiligten Akteuren werden erläutert. Ein besonderer Blick wird hierbei auf den aktuellen Stand der
Normung gelegt. Dieser ist weit vorangeschritten, gerade jedoch die ISO 15118 zur Netzintegration
ist noch nicht vollständig abgeschlossen. Im zweiten Teil der Arbeit wird die aktuelle Situation in der
EU erläutert. Der Ausbaustand wird anhand von bestehenden und geplanten Ladestationen darge-stellt und die Unterschiede in den europäischen Verteilnetzen aufgezeigt. Zudem werden einige aus-
gewählte Beispiele für Projekte zur internationalen Vernetzung von Elektromobilität und Ladeinfra-
struktur aufgeführt. Das Konzept wird nach dem Decision-Analysis-Process in den Schritten Problem-
identifizierung, Problemstrukturierung, Modellbildung und Modellhinterfragung systematisch erar-
beitet. Durch hierarchische Zielentwicklung werden die Anforderungen an die Ladeinfrastruktur auf-
gestellt. Diesen werden durch die Methode des morphologischen Kastens Lösungsmöglichkeiten
zugeordnet. Die verschiedenen Komponenten werden anschließend mittels Nutzwertanalyse und
Quality-Function-Deployment kriterienorientiert bewertet. Dabei stellt sich heraus, dass ein Smart
Charge Communication Protocol nach ISO 15118, roamingfähige Backendserver, EDL40-Smartmeter
und die Verwendung von Powerline-Communication, unter anderen, die entscheidenden Komponen-ten der Ladeinfrastruktur darstellen, um die aktuell bestehenden Barrieren in der internationalen
Nutzung von Ladeinfrastruktur zu beheben.
Eidesstattliche Erklärung
Name, Vorname:
Mätrikel-Nr.
Thema der Masterarbeit:
Konzept fü, elne bartierefreie Ladeinfrastruktur für E-Mobile in der Europäischen Union
Concept for a barrier free charging infrastrucure for e-mobiles in the Euopean union
lch erkläre hiermit, dass ich meine Masterarbeit se lbstständig ve rfasst und keine anderen äls die von
mir angegebenen und bei zitaten kenntliche Semachten Quellen und Hilfsmittel benutzt habe.
Hiltrop, Stefan
tto934l7
Garmisch-Partenkirchen 05.09.2014
Ort, Datum
Erklärung
Mätrikel-Nr.
Hiltrop, Stefan
71093417
Thema der Masterarbeit:
Nonzept für eine barrierefreie Ladeintrastruktur tür E-Mobile in der Europäischen Union
conc€pt for a bärierfree charging infrastrudure for e-mobiles in the Europeän lJnion
lch erlaube, dass die Arbeit vom Betreuer im lnte rnet ve röffentlicht wird.
Die folgenden Abbildungen sind von anderen Autoren übernommen:
Abbildung 26
Die Nutzun8srechte für die Veröffentli.hung im Rahmen dieser Masterarbeit sind mir nicht erteilt
worden, daher werden sie in der öffentlichen Version geschwärzt dar8estellt.
Bei allen übrigen Abbildungen lie8en die Nutzungsrechte vor oder die Abbildungen sind von mir
selbst erstellt worden.
Garmisch-Partenkirchen 05.09.2014
Kurzfassung
Elektromobilität ist ein Schlüssel zu einer nachhaltigen Mobilität, mit der die Abhängigkeit von Erdöl
sowie verkehrsbedingte Umweltauswirkungen reduziert werden können. Die öffentliche Ladeinfra-
struktur ist dabei ein wesentlicher Teil, um Elektromobilität voranzutreiben, in der Öffentlichkeit
wahrnehmbarer zu machen und bestehende Reichweitenängste abzubauen.
In dieser Masterarbeit wird anhand von Technologiebewertungsmethoden ein Konzept für
barrierefreie Ladeinfrastruktur in der EU entwickelt. Im ersten Teil wird das Begriffsumfeld Ladeinfra-
struktur und der Stand der Technik dargestellt. Technische Komponenten für den Ladevorgang und
der Zusammenhang zwischen den beteiligten Akteuren werden erläutert. Ein besonderer Blick wird
hierbei auf den aktuellen Stand der Normung gelegt. Dieser ist weit vorangeschritten, gerade jedoch
die ISO 15118 zur Netzintegration ist noch nicht vollständig abgeschlossen.
Im zweiten Teil der Arbeit wird die aktuelle Situation in der EU erläutert. Der Ausbaustand wird an-
hand von bestehenden und geplanten Ladestationen dargestellt und die Unterschiede in den europä-
ischen Verteilnetzen aufgezeigt. Zudem werden einige ausgewählte Beispiele für Projekte zur inter-
nationalen Vernetzung von Elektromobilität und Ladeinfrastruktur aufgeführt.
Das Konzept wird nach dem Decision-Analysis-Process in den Schritten Problemidentifizierung, Prob-
lemstrukturierung, Modellbildung und Modellhinterfragung systematisch erarbeitet. Durch hierarchi-
sche Zielentwicklung werden die Anforderungen an die Ladeinfrastruktur aufgestellt. Diesen werden
durch die Methode des morphologischen Kastens Lösungsmöglichkeiten zugeordnet. Die verschiede-
nen Komponenten werden anschließend mittels Nutzwertanalyse und Quality-Function-Deployment
kriterienorientiert bewertet.
Dabei stellt sich heraus, dass ein Smart Charge Communication Protocol nach ISO 15118,
roamingfähige Backendserver, EDL40-Smartmeter und die Verwendung von Powerline-
Communication, unter anderen, die entscheidenden Komponenten der Ladeinfrastruktur darstellen,
um die aktuell bestehenden Barrieren in der internationalen Nutzung von Ladeinfrastruktur zu behe-
ben.
I
Inhalt
Inhalt......................................................................................................................................................... I
Abbildungsverzeichnis ............................................................................................................................ III
Tabellenverzeichnis ................................................................................................................................ IV
Formelverzeichnis ................................................................................................................................... V
Abkürzungsverzeichnis ........................................................................................................................... VI
1 Einleitung ................................................................................................................................. 1
1.1 Elektromobilität, erneuerbare Energien und die Energiewende ............................................. 2
1.2 Methodik .................................................................................................................................. 4
1.2.1 Technologiebewertung .................................................................................................... 4
1.2.2 Morphologischer Kasten .................................................................................................. 6
1.2.3 Nutzwertanalyse und Quality-Function-Deployment ...................................................... 7
2 Begriffsumfeld Ladeinfrastruktur........................................................................................... 10
2.1 Elektrofahrzeuge .................................................................................................................... 10
2.2 Ladearten ............................................................................................................................... 13
2.3 Steckertypen und Aufbau der Ladesäule ............................................................................... 17
2.4 Authentifizierungs- und Abrechnungsarten .......................................................................... 19
2.4.1 Roaming in der Elektromobilität .................................................................................... 20
2.5 Dienstleistungen und Geschäftsmodelle im Zusammenhang mit Ladeinfrastruktur ............ 23
2.6 Stakeholder im Bereich Ladeinfrastruktur ............................................................................. 26
2.7 Kosten verschiedener Ladeinfrastrukturlösungen ................................................................. 31
2.8 Normen, Richtlinien und Gesetze .......................................................................................... 35
2.8.1 Systemübersicht - Standardisierung und Normungs-Roadmap der Nationalen Plattform
Elektromobilität .............................................................................................................. 37
2.8.2 Normungsaktivitäten in Deutschland ............................................................................ 40
2.8.3 Normungsaktivitäten in der Europäischen Union .......................................................... 42
2.8.4 Internationale Normungsaktivitäten .............................................................................. 44
2.8.5 Übersicht über Normen ................................................................................................. 45
3 Ladeinfrastruktur in der EU .................................................................................................... 49
3.1 Ausbaustand .......................................................................................................................... 49
3.2 Ausbauziele ............................................................................................................................ 52
3.3 Netzvoraussetzungen im europäischen Vergleich ................................................................. 54
II
3.3.1 Das CIGRE-Referenznetz ................................................................................................. 54
3.3.2 Vergleich der Netzvoraussetzungen in den EU-Mitgliedsstaaten .................................. 56
3.4 Projekte zur internationalen Vernetzung von Ladeinfrastruktur .......................................... 59
3.4.1 EU-Projekte .................................................................................................................... 59
3.4.2 Roamingplattformen in der EU ...................................................................................... 59
3.4.3 eMI³ ................................................................................................................................ 60
3.4.4 Online-Karten für Ladestationen .................................................................................... 61
4 Konzept zur barrierefreien Ladeinfrastruktur in der EU ........................................................ 62
4.1 Chancen und Barrieren - Problemidentifizierung .................................................................. 62
4.2 Hierarchische Zielentwicklung und Systemabgrenzung - Problemstrukturierung ................ 63
4.3 Morphologischer Kasten Ladeinfrastruktur - Problemstrukturierung ................................... 67
4.4 Ergebnisse der Bewertung nach Nutzwertanalyse und Quality-Function-Deployment -
Modellbildung ........................................................................................................................ 70
5 Fazit und Ausblick .................................................................................................................. 76
Literaturverzeichnis ............................................................................................................................... 78
Anhang .................................................................................................................................................. 84
A1: EURELECTRIC-Tabelle – Vergleich von Netzparametern in der EU ............................................. 84
A2: Morphologischer Kasten ............................................................................................................. 86
A3: Bewertungstabelle Teil 1 ............................................................................................................. 87
A4: Bewertungstabelle Teil 2 ............................................................................................................. 88
A5: Bewertungstabelle Teil 3 ............................................................................................................. 89
A6: CIGRE Referenznetz ..................................................................................................................... 90
A7: E-Roaming Schemata .................................................................................................................. 91
III
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Treibhausgasemissionen Deutschland 2012 ...................................................................... 3
Abbildung 2: Aufgaben, Entscheidungen und Methoden im Technologiemanagement ........................ 4
Abbildung 3: Entwicklungsphasen des Leitmarkts .................................................................................. 5
Abbildung 4: Decision-Analysis-Process zur Problemstrukturierung ...................................................... 6
Abbildung 5: Prinzip des morphologischen Kastens ............................................................................... 6
Abbildung 6: Quality Function Deployment (QFD) und Expanded House of Quality (EHOQ) ................. 9
Abbildung 7: Elektrisch angetriebene Verkehrsmittel .......................................................................... 10
Abbildung 8: Schema Mode 1 ............................................................................................................... 13
Abbildung 9: Schema Mode 2 ............................................................................................................... 14
Abbildung 10: Schema Mode 3 ............................................................................................................. 14
Abbildung 11: Schema Mode 4 ............................................................................................................. 14
Abbildung 12: Schema induktiv ............................................................................................................. 15
Abbildung 13: Steckertypen zum Laden von Elektroautos ................................................................... 17
Abbildung 14: Steckertypen und Verschaltung ..................................................................................... 18
Abbildung 15: Elektrische Komponenten der Ladeinfrastruktur .......................................................... 18
Abbildung 16: Fallunterscheidung E-Roaming ...................................................................................... 22
Abbildung 17: Indirekte und direkte Zähleranbindung ......................................................................... 24
Abbildung 18: Überblick verschiedener Vorschläge elektromobiler Geschäftsmodelle ....................... 26
Abbildung 19: Stakeholderklassen ........................................................................................................ 27
Abbildung 20: Ebenen einer Referenzarchitektur Ladeinfrastruktur .................................................... 28
Abbildung 21: Stakeholderinteressen ................................................................................................... 30
Abbildung 22: Übersicht und innere Struktur der Normungs- und Standardisierungslandschaft ........ 35
Abbildung 23: Entwicklungsprozess von Normen der IEC ..................................................................... 36
Abbildung 24: Domänenübersicht Standardisierungsbedarf für Ladeinfrastruktur ............................. 37
Abbildung 25: Nationale Abstimmung bei der Normung und Standardisierung zur Elektromobilität . 41
Abbildung 26: Gremien bei DIN, NA Automobil und DKE ..................................................................... 41
Abbildung 27: Verteilung der Ladepunkte pro 1 Mio. Einwohner ........................................................ 49
Abbildung 28: Entwicklung der Ladepunkte bis 2019 nach Frost&Sullivan .......................................... 54
Abbildung 29: Netzvarianten der Niederspannungsebene ................................................................... 55
Abbildung 30: CIGRE-Referenznetz ....................................................................................................... 56
Abbildung 31: Hierarchische Zielentwicklung - barrierefreie Ladeinfrastruktur................................... 64
Abbildung 32: Schnittstellen des Ladeinfrastrukturkonzepts ............................................................... 66
Abbildung 33: Einschränkungen durch Rahmenbedingungen und Voraussetzungen .......................... 68
IV
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Vergleich der CO2 Emissionen nach Kraftstoff ........................................................................ 2
Tabelle 2: Beispiel für eine NWA-Matrix ................................................................................................. 8
Tabelle 3: Einteilung der Fahrzeuge nach Elektrifizierungsgrad ........................................................... 12
Tabelle 4: Ladearten .............................................................................................................................. 16
Tabelle 5: Übersicht über Ladeleistung ................................................................................................. 16
Tabelle 6: Ladeinfrastrukturszenarien zur ökonomischen Bewertung ................................................. 31
Tabelle 7: Kosten des konduktiven Ladesystems auf Basis von Einzelkomponenten ........................... 32
Tabelle 8: Kosten des induktiven Ladesystems ..................................................................................... 33
Tabelle 9: Gesamtüberblick der Ladeinfrastrukturkosten .................................................................... 34
Tabelle 10: Beteiligte Gremien in DIN und DKE .................................................................................... 42
Tabelle 11: Beteiligte Gremien in CEN, CENELEC und ETSI ................................................................... 43
Tabelle 12: Beteiligte Gremien in ISO, IEC und ITU ............................................................................... 44
Tabelle 13: Normen Ladeinfrastruktur .................................................................................................. 47
Tabelle 14: Stand der Ladeinfrastruktur in der EU ................................................................................ 51
Tabelle 15: EU-Mitgliedsstaaten mit geplanten Ausbauzielen für Ladepunkte .................................... 53
Tabelle 16: Online-Karten für Ladestationen ........................................................................................ 61
Tabelle 17: Morphologischer Kasten Ladeinfrastruktur ........................................................................ 67
Tabelle 18: Gewichtungsfaktoren ......................................................................................................... 70
Tabelle 19: Rangfolge der für das Konzept wichtigsten Komponenten nach der Bewertung .............. 74
Tabelle 20: Morphologischer Kasten Ladeinfrastruktur nach Bewertung ............................................ 75
V
Formelverzeichnis
Formel 1: Gesamtwert einer Variante in der NWA ................................................................................. 7
Formel 2: Gesamtkosten Ladeinfrastruktur .......................................................................................... 34
Formel 3: Strommehrkosten pro Fahrzeug ........................................................................................... 34
VI
Abkürzungsverzeichnis
AC Alternating Current
BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft
BEV Batterie Electric Vehicle
CD Committee Draft (Normenentwurf)
CDV Committee Draft for Vote (Normenentwurf)
CEN European Comittee for Standardization
CENELEC European Comittee for Electrotechnical Standardization
CIGRE International Council on Large Electric Systems
CNG Compressed Natural Gas
CSO Charging Station Operator
CSP Charge Service Provider
DC Direct Current
DIN Deutsches Institut für Normung
DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik
DSO Distribution System Operator
EMAID e-Mobility Account Identifier
EMV (EMC) Elektromagnetische Verträglichkeit
ETSI European Telecommunications Standards Institute
EURELECTRIC Union of the Electricity Industry
EVSEID Electric Vehicle Supply Equipment ID
EVU Energieversorgungsunternehmen
FCEV Fuelcell Electric Vehicle
FDIS Final Draft International Standard (Normenentwurf)
G2V Grid to Vehicle
IC-CPD In Cable Control and Protection Device
ICV Internal Combustion Vehicle
IEC International Electrotechnical Commission
ISO International Organization for Standardization
LNG Liquefied Natural Gas
LPG Liquefied Petroleum Gas
NFC Near Field Communication
NWA Nutzwertanalyse
NPE Nationale Plattform für Elektromobilität
OCPP Open Charge Point Protocol
OCHP Open Clearing House Protocol
OICP Open Intercharge Protocol
OEM Original Equipment Manufacturer
PHEV Plug-In Hybrid Electric Vehicle
PLC Power Line Communication
QFD Quality-Function-Deployment
RCD Residual Current Device
REEV Range Extended Electric Vehicle
RFID Radio Frequency Identification
SOAP Simple Object Access Protocol
TCO Total Costs of Ownership
VII
TSO Transmission System Operator
V2G Vehicle to Grid
WD Working Draft (Normenentwurf)
1
1 Einleitung
„Vor dem Hintergrund wachsender Anforderungen der Klimaschutzpolitik und einer steigenden
Abhängigkeit von knappen fossilen Energieressourcen wird die Einführung alternativer Energie-
träger und neuer Antriebstechnologien für den motorisierten Individualverkehr bereits seit vielen
Jahren diskutiert.“1
2010 wurden 95% des Energiebedarfs des Transportsektors in der Europäischen Union von Öl abge-
deckt, wobei 84% davon importiert werden mussten. Dies entsprach 2,5% des Bruttoinlandsproduk-
tes.2 Um diese Abhängigkeit zu reduzieren, hat die EU eine Strategie aufgestellt, langfristig Öl als
Energiequelle in allen Bereichen des Transportsektors zu ersetzen. Dabei spielt die Elektromobilität,
neben Gas (LPG, LNG, CNG), Biokraftstoffen und Wasserstoff als Energieträger eine entscheidende
Rolle.
Zur Etablierung von Elektromobilität wird zum einen von der Herstellerseite ein Angebot an Elektro-
fahrzeugen benötigt, umgekehrt hängt der Erfolg der Elektromobilität aber auch vom Aufbau einer
zweckmäßigen Infrastruktur ab. Oft wird die Verantwortung zwischen Automobilherstellern (Original
Equipment Manufacturer OEM) und Ladestationsbetreibern hin und her geschoben. Dies wird auch
als Henne-Ei-Problem oder Dead-Lock-Situation bezeichnet. Die Verbreitung einer neuen Antriebs-
technik und der Aufbau einer entsprechenden Infrastruktur bedingen sich jeweils gegenseitig.3 Das
deutsche Ziel 1 Mio. Elektrofahrzeuge bis 2020 auf die Straße zu bringen, kann dabei nur erreicht
werden, wenn alle Akteure an einem Strang ziehen. Dies zeigt die Wichtigkeit des Themas Ladeinfra-
struktur für die Elektromobilität.
„Eine nutzerfreundliche, sichere und flächendeckende kompatible Verbindung der Elektrofahr-
zeuge mit dem Energienetz ist ein entscheidender Erfolgsfaktor für die Diffusion der Elektromobi-
lität.“4
Bei einer Nutzung der Elektromobilität ähnlich des heutigen Individualverkehrs, ohne neue Konzepte,
welche weniger das Besitzen, als das Teilen von Fahrzeugen vorsehen, wird der Großteil der Ladevor-
gänge zu Hause oder am Arbeitsplatz erfolgen. Der öffentlichen Ladeinfrastruktur wird dabei in der
Literatur oft eine Vorreiterrolle zugesprochen, um Reichweitenängste zu verringern und die Elektro-
mobilität durch Präsenz in das Bewusstsein der Nutzer zu bringen.5
1 (Schill, 2010) S.140
2 (Europäische Kommission, 2013) S.2
3 Ebd. S.153
4 (Hüttl, et al., 2010) S.15
5 (Kley, 2011) S.XV
2
In dieser Arbeit wird mit Hilfe von Technologiebewertungsmethoden ein Konzept für einheitliche und
barrierefreie Ladeinfrastruktur erstellt. Dazu wird entlang der folgenden Fragen, zunächst ein Über-
blick über den Stand der Technik gegeben:
- Was bedeutet der Begriff Ladeinfrastruktur? (Kapitel 2)
- Welche Kosten verursachen verschiedene Ladeinfrastrukturvarianten? (Kapitel 2.7)
- Wie ist der aktuelle Stand der Normung im Bereich Ladeinfrastruktur? (Kapitel 2.8)
- Welche Unterschiede gibt es in den Netzvoraussetzungen der europäischen Mitgliedsstaa-
ten? (Kapitel 3)
- Wie ist der aktuelle Ausbaustand der Ladeinfrastruktur in der EU? (Kapitel 3.1)
- Was sind Herausforderungen beim Aufbau von Ladeinfrastruktur? (Kapitel 4.1)
1.1 Elektromobilität, erneuerbare Energien und die Energiewende
Die europäische Union hat mit den 20-20-20-Zielen festgelegt, bis 2020 die Treibhausgasemissionen
um mindestens 20% im Vergleich zum Jahr 1990 zu reduzieren, die Energieeffizienz um 20% zu stei-
gern und den Anteil der erneuerbaren Energien am Gesamtenergieverbrauch auf 20% zu erhöhen.
Die Elektromobilität kann dazu beitragen, diese Ziele zu erreichen.
Elektromobilität kann zum Klimaschutz beitragen, wenn Elektrofahrzeuge mit Strom aus erneuerba-
ren Energien geladen werden. Tabelle 1 zeigt den Ausstoß von CO2 pro gefahrenen Kilometer ver-
schiedener Kraftstoffe. Im Jahr 2012 betrug der Anteil der Treibhausgasemissionen (gemessen in
CO2-Äquivalent) des Verkehrssektors 16% der Gesamtemissionen (Abbildung 1).
Tabelle 1: Vergleich der CO2 Emissionen nach Kraftstoff6
Kraftstoff CO2-Emissionen [g/km]
Benzin (6,2 Liter) 147
Diesel (4,7 Liter) 125
CNG (5,3 kg) 118
Braunkohle (19,6 kWh) 216
Steinkohle 176
Elektrizitätsmix Deutschland 2012 987
GuD-Kraftwerk 72
Photovoltaik / Windkraft 8
Durch die Vermeidung von Emissionen am Elektrofahrzeug selbst, werden auch lokale Emissionen
deutlich verringert. Feinstaub-, Kohlendioxid-, Stickoxid- sowie Lärmemissionen werden vermieden,
was gerade in Ballungsräumen zur Steigerung der Luft- und Lebensqualität beitragen kann.
Weiter kann Elektromobilität zur Sicherung der Energieversorgung beitragen. Durch die vollständige
Integration der Elektrofahrzeuge in das Stromnetz können diese von reinen Verbrauchern zu aktiven
Speichern umfunktioniert werden. Hierdurch können Elektroautos sowohl positive als auch negative
6 (Waffenschmidt, 2013)
7 (Umweltbundesamt, 2013)
3
Regelleistung bereitstellen. Über geeignete Leistungselektronik können weitere Netzparameter be-
einflusst werden: Bereitstellung von Blindleistung, Phasensymmetrierung, Flickerkompensation, etc..
Abbildung 1: Treibhausgasemissionen Deutschland 20128
Durch die intelligente Nutzung der Batterie können Erzeugungsspitzen durch die volatil auftretenden
erneuerbaren Energien genutzt werden. Ungünstige Fluktuationseffekte werden dadurch geringer
und Erzeugungs- und Lastkurve aneinander angenähert. Durch die hierdurch mögliche Verbesserung
der Ausnutzung der Energie aus erneuerbaren Energiequellen, wird der Ausbau dieser unterstützt.
Umgekehrt können konventionelle Kraftwerke ebenfalls effizienter eingesetzt werden, wenn Regel-
leistung durch Elektrofahrzeuge bereitgestellt wird und nicht von trägeren Kraftwerken, wie Kohle-
kraftwerken, bereitgestellt werden muss.
Durch die Verwendung von Elektrofahrzeugen als Speicher im Netz kann die bestehende Netzkapazi-
tät besser ausgelastet werden, wodurch der benötigte Netzausbau verringert werden kann.9 Die da-
bei verringerte Lebensdauer der Traktionsbatterien der Elektrofahrzeuge muss jedoch in neuen Ge-
schäftsmodellen mit berücksichtigt werden. Hierbei können Second-Life-Konzepte, bei welchen die
Batterie nach eventuellem Austausch im Fahrzeug, immer noch als anderer Energiespeicher genutzt
werden kann, eine Rolle spielen.
Insgesamt fügen sich Elektrofahrzeuge sehr gut in ein Konzept von Elektrizitätserzeugung aus erneu-
erbaren Energiequellen und den dadurch entstehenden Wandel von einer zentralisierten zu einer
dezentralen Energieversorgung, ein. Um die positiven Möglichkeiten der Elektromobilität nutzbar zu
machen, bedarf es einer entsprechenden Schnittstelle zwischen Fahrzeug und Netz, welche grenz-
übergreifend interoperabel und austauschbar ist sowie eine optimale Ausnutzung der Infrastruktur
und der Energieerzeugung ermöglicht.10
8 Nach (Umweltbundesamt, 2014)
9 (CEN, CENELEC, 2011) S.3
10 Ebd. S.20
4
Den vielen Vorteilen der Einführung von Elektromobilität stehen jedoch auch Probleme und Heraus-
forderungen gegenüber. Eine internationale Koordinierung ist notwendig, um eine Marktfragmentie-
rung zu vermeiden. Teilweise ist die bestehende Ladeausrüstung nicht interoperabel mit Neuerungen
und bestehende Investitionsunsicherheit behindert den Aufbau der Ladeinfrastruktur.11
1.2 Methodik
Zunächst wird in diesem Kapitel das methodische Vorgehen erläutert.
1.2.1 Technologiebewertung
„Technologiebewertung bezeichnet die Beurteilung einer Technologie vor dem Hintergrund
unterschiedlicher Kriterien in verschiedenen Entscheidungssituationen.“12
Man kann die Aufgaben eines Technologiemanagements in vier Stufen unterscheiden, in denen zur
Bewertung und Entscheidungsfindung qualitative oder quantitative Bewertungsmethoden ausge-
wählt werden (Abbildung 2):
1. Technologiefrüherkennung
2. Technologieplanung
3. Technologieentwicklung
4. Technologieverwertung
Ausgewählte Aufgaben und Entscheidungen im Technologiemanagement
Technologiefrüherkennung Technologieplanung Technologieentwicklung Technologieverwertung
- Festlegung von Suchfel-
dern für neue Technolo-
gien
- Vorbewertung von identifi-zierten Technologien (schwache Signale)
- Entscheidung über Be-
schaffungsquellen, Leis-
tungsniveau und Einsatz-zeitpunk für konkrete
Technologien
- Initiierung von Technolo-
gieprojekten
- Controlling von laufenden
Technologieprojekten
- Entscheidung an den Gates
(Fortsetzung, Abbruch, Verzögerung)
- Entscheidung über Art der
Technologieverwertung
(intern, extern, hybrid)
Argumentenbilanz Maschinenstunden-
satzrechnung Entscheidungsbaumanalyse Fair-Value-Ansätze
Checklisten Kapitalwertmethode Realoptionsansatz
Portfolioansätze Break-even-Analyse Lizenzpreisbildung
Nutzwertanalyse Amortisationsrechnung Renditekennzahlen
Kosten-Nutzen-Vergleich TCO-Ansätze Transaktionskostenansatz
Unterstützende Bewertungsmethoden
Abbildung 2: Aufgaben, Entscheidungen und Methoden im Technologiemanagement13
11
(Europäische Kommission, 2013) S.4 12
(Schuh, et al., 2011) S.309 ff.
qualitativ
quantitativ
5
Die Entwicklungen im Bereich Elektromobilität und Ladeinfrastruktur, in den letzten Jahren, sind
durch ein hohes Tempo geprägt. Unterschiedliche Projekte lassen sich unterschiedlich in die vier
oben genannten Kategorien einordnen. Die Erstellung dieses Konzepts zur barrierefreien, länder-
übergreifenden Ladeinfrastruktur befindet sich zwischen der Technologiefrüherkennung und der
Technologieplanung und erfolgt daher mittels qualitativer Methoden (Vorbewertung von identifizier-
ten Technologien; Entscheidung über Beschaffungsquellen, Leistungsniveau und Einsatzzeitpunkt für
konkrete Technologien; Initiierung von Technologieprojekten). Diese Zuordnung deckt sich ebenfalls
mit der Einschätzung der Nationalen Plattform für Elektromobilität, die drei Entwicklungsphasen hin
zum Leitmarkt Elektromobilität zeitlich wie folgt unterscheidet:14
1. Marktvorbereitung bis 2014 mit Schwerpunkt auf Forschung und Entwicklung sowie Schau-
fensterprojekten
2. Markthochlauf bis 2017 mit Fokus auf den Marktaufbau bei Fahrzeugen und Infrastruktur
3. Beginnender Massenmarkt bis 2020 mit tragfähigen Geschäftsmodellen
Abbildung 3: Entwicklungsphasen des Leitmarkts15
Aufgabe der Technologiefrüherkennung und der Technologieplanung ist es, Voraussetzungen zu
schaffen, um Entscheidungen auf einer fundierten Informationsbasis treffen zu können. Es werden
Weiterentwicklungspotenziale, neue Technologien, Leistungsgrenzen bekannter Technologien oder
auch Substitutionsbeziehungen zwischen Technologien aufgezeigt.
Die strukturierte Aufarbeitung der in den folgenden Abschnitten dargestellten Informationen, mit
dem Ziel ein einheitliches Konzept für Ladeinfrastruktur in der Europäischen Union zu entwickeln,
erfolgt in mehreren Schritten und anhand der Kombination mehrerer methodischer Ansätze. Die
Abfolge der Schritte orientiert sich am „Decision-Analysis Process“ zur Problemstrukturierung
(Abbildung 4). Der erste Schritt zur Identifikation der Problemstellung wird durch die Analyse und die
Darstellung der Ist-Situation vorbereitet. Hieraus ergeben sich zum einen die Ziele, die durch ein Kon-
zept verfolgt und erfüllt werden, und zum anderen die Chancen und Risiken/Barrieren, die überwun-
den werden müssen (siehe dazu auch 4.1 und 4.2). Zur übersichtlichen Strukturierung der gesam-
melten Informationen wird die Methode des morphologischen Kastens gewählt (1.2.2 und 4.3).
Die Modelbildung bzw. Konzeptionierung geschieht durch die Methode der Nutzwertanalyse und des
Quality-Function-Deployments (1.2.3 und 4.4).
13
Nach (Schuh, et al., 2011) S.312 14
(Nationale Plattform Elektromobilität (NPE), 2011) S.5 15
Nach Ebd.
Marktvorbereitung Markthochlauf Massenmarkt
2014 2017 2020
6
Abbildung 4: Decision-Analysis-Process zur Problemstrukturierung16
1.2.2 Morphologischer Kasten
Problemstellungen mit einer gewissen Komplexität sollten grundsätzlich in Teilprobleme aufgespal-
ten werden. Dieses Vorgehen hilft, möglichst keine Lösungsmöglichkeit in ihrer Kombinationsmög-
lichkeit zu übersehen und den Überblick zu wahren. Der morphologische Kasten, als Methode der
systematischen Kombination, ermöglicht es, komplexe Systeme übersichtlich in Matrixform darzu-
stellen. Hierbei werden die Teilfunktionen in die Zeilen und die Lösungsansätze in die Spalten einge-
tragen. 17
Abbildung 5: Prinzip des morphologischen Kastens
16
Nach (Geldermann, 2008) S.5 17
(Steinschaden, 1998) S. 28 ff.
Identification of the problem /
issue
Problem structuring
Using the model to inform and
challenge think-ing
Model building
Developing an action plan
Goals
Uncertainties
Constraints
Alternatives
Stakeholders
Specifying alternatives
Defining
criteria
Eliciting
values
Challenging
intuition
Robustness analysis
Sensitivity analysis
Lösungskombination
7
Schon bei der Erstellung des morphologischen Kastens zeigt sich, ob Kombinationen überhaupt sinn-
voll oder nur in bestimmten Kombinationen möglich sind. Die Schnittstellen zwischen den Teilfunkti-
onen und die damit verbundenen Verträglichkeiten oder Voraussetzungen sind besonders zu be-
trachten. Daher ist es sinnvoll:
- die Reihenfolge der Teilfunktionen sinnvoll zu wählen
- Teilfunktionen nach Energie-, Stoff- oder Informationsfluss zu trennen
- Lösungen nach Parametern zu ordnen
- Lösungen durch Skizzen zu erläutern
- Lösungen durch wichtige Merkmale zu beschreiben
- nur Verträgliches zu kombinieren
- Nichtverträgliches deutlich zu kennzeichnen
Die Lösungsvielfalt kann im Anschluss durch Einschränkungen reduziert werden. Ungeeignet erschei-
nende Lösungen werden ausgeschieden, wobei andere hingegen bevorzugt werden. Diese Auswahl
ist jedoch oft subjektiv und nicht systematisch. Wichtig ist, dass eine frühzeitige Einschränkung nicht
den Verlust von wichtigen Wirkprinzipien mit sich bringt, die im Gesamtkontext relevant sind.
1.2.3 Nutzwertanalyse und Quality-Function-Deployment
Im Anschluss an das Aufstellen des morphologischen Kastens werden die Lösungsvarianten möglichst
kriterienorientiert bewertet. Eine Methode zur Bewertung sollte sowohl quantitative als auch quali-
tative Eigenschaften berücksichtigen und möglichst mit geringem Aufwand reproduzierbare, transpa-
rente Ergebnisse liefern. Hierzu eignet sich die Nutzwertanalyse.18 Die Kriterien zur Bewertung der
Lösungen leiten sich aus aufgestellten Zielen ab. Die Bewertung kann beispielsweise als Vergleich der
verschiedenen Varianten untereinander oder zu einer gedachten Ideallösung erfolgen. Die verschie-
denen Bewertungskriterien können unterschiedliche Bedeutungen haben. Hierfür werden Gewich-
tungsfaktoren eingesetzt (��). Diese Faktoren liegen bei der NWA zwischen 0 und 1 bzw. 0% und
100%, ihre Summe ergibt 1 bzw. 100%. So ergibt sich eine prozentuale Gewichtung der Teilziele. Im
Anschluss erfolgt die Bewertung durch die Vergabe von Punkten (0 bis 10 Punkte). Durch die Summa-
tion der Teilwerte ��� erhält man den Gesamtwert �� einer Variante j.
Formel 1: Gesamtwert einer Variante in der NWA
��,� = �����
���
18
(Steinschaden, 1998) S.33 ff.
8
Hierdurch ergibt sich eine Rangfolge der Lösungsvarianten zur Entscheidungsfindung. Tabelle 2 zeigt
ein beliebiges Beispiel zur Verdeutlichung der Durchführung der NWA.
Tabelle 2: Beispiel für eine NWA-Matrix19
Investitionsvariante A Investitionsvariante B
Ziele Gewicht Wirkung (max. 10)
Wirkung Gewicht
Wirkung (max. 10)
Wirkung Gewicht
Produktivität 0,06 5 0,30 3 0,18
Typen-Flexibilität 0,16 9 1,44 10 1,60
Sortenwechselkosten 0,10 8 0,80 6 0,60
Mengen-Flexibilität 0,08 7 0,56 9 0,72
Entwicklungs-Flexibilität 0,08 6 0,48 8 0,64
Kurze Lieferzeiten 0,18 9 1,62 9 1,62
Qualitätssicherung 0,16 8 1,28 7 1,12
Lagerbestände 0,12 7 0,84 9 1,08
Imagewirkung 0,02 4 0,08 7 0,14
Arbeitsplatzattraktivität 0,04 5 0,20 8 0,32
7,60 8,02
Eine weitere Methode zur Bewertung ist das Quality-Function-Deployment (QFD) oder Merkmal-
Funktions-Darstellung. Diese Methode ist ursprünglich eine Methode zur Qualitätssicherung und
ermöglicht es, systematisch Kundenwünsche und technische Umsetzung zu verknüpfen (die Frage
nach dem WAS und dem WIE).20 Hierbei werden die Merkmale (Teilfunktionen) ebenfalls in Zeilen
aufgelistet und ihnen gegenüber die Funktionen (Lösungsvarianten) in Spalten dargestellt (Abbildung
6).
Analog zu dem Vorgehen in der NWA werden die “WIEs” hinsichtlich ihres Beitrags zur Zielerreichung
des „WAS“ bewertet. Allerdings erfolgt hier keine lineare Wertung. Zur Bewertung werden die Zahlen
0 (gar nicht), 1 (schwach), 3 (mittel), und 9 (stark) zugelassen. Im Unterschied zu einer arithmetischen
Skala von 0-10, in welcher die Aufwertung der Wichtigkeit gleichmäßig erfolgt, werden in dieser ge-
ometrischen Skala die positiven Wertungen deutlich hervorgehoben.
Wechselwirkungen einer Funktion mit mehreren Merkmalen werden in der Matrix mitberücksichtigt.
Die angrenzenden Matrizen (WARUM und WIEVIEL) ermöglichen es, Vergleiche mit Konkurrenzpro-
dukten oder technische Zielvorgaben einfließen zu lassen. Die erweiterte Matrix wird aufgrund ihrer
Form „House of Quality“ genannt. Die beiden Matrizen sind jedoch für eine reine Bewertung unter-
schiedlicher Lösungsansätze in der Technologiebewertung nicht zwingend notwendig. Durch die Auf-
summierung der Werte in den Spalten, ergibt sich eine Rangfolge der Wichtigkeit der Funktionen zur
Gesamtzielerreichung.
19
Nach (wirtschaftslexikon24.com) 20
(Prasad, 1998) S.222 ff.
9
WIE
j = 1
j = m
WARUM
WA
S
i = 1 Beziehungen 0 = gar nicht
1 = schwach
3 = mittel
9 = stark
k =
1
4
k =
p
5
2
1
6
i = n 7
WIE
VIE
L
l=1
57 72 11 24 36
Abbildung 6: Quality Function Deployment (QFD) und Expanded House of Quality (EHOQ)21
21
Nach (Prasad, 1998) S.224
Qualitätsmerkmale
Kundenanforderungen
Sensitivitäten
Aktuelle Marktsituation
(Nutzergruppen, Konkur-
renten)
Technische Informationen Wertung, Wichtigkeit
Zielwerte
2 Begriffsumfeld Lade
In den folgenden Kapiteln wird da
und eine Diskussionsgrundlage zu
werden kann. Dabei werden folge
Welche Typen von Fahrzeugen
Wie kann Zugang und Abrechnung
ist das System Ladeinfrastruktur te
Ein besonderer Blick wird auf den
und Interessengruppen der Ladein
2.1 Elektrofahrzeuge
Elektromobilität ist ein weitreiche
gebot aller Verkehrsmittel, die ele
Abbildun
Im Rahmen dieser Arbeit wird da
betrachtet und hierbei insbesond
22
Nach (Bertram, et al., 2014) S.8
Straße
Personenverkehr
Elektrofahrzeug
Hybridfahrzeug
Elektrozweiräder
Pedelec
Elektrorollstuhl
Güterverkehr
Elektrolastkraftwagen
Elektro-transporter
Gleislose ElektFlurfördermitt
einfrastruktur
das Begriffsfeld „Ladeinfrastruktur“ erläutert, um
e zu schaffen, auf deren Basis eine Technologiebewe
olgende Punkte beschrieben:
n gibt es? Auf welche Art und Weise können dies
nung realisiert werden? Welche Systeme sind ökono
ur technisch-wirtschaftlich aufgebaut?
den aktuellen Stand der Normung und das Zusamm
deinfrastruktur gelegt.
ichendes Themenfeld. Abbildung 7 zeigt einen Übe
elektrifiziert werden können.
ldung 7: Elektrisch angetriebene Verkehrsmittel22
dabei der Bereich des elektrischen Personenverke
sondere der Bereich der elektrisch angetriebenen P
Elektromobilität
last-gen
rter
lektro-mittel
Schiene
Personenverkehr
Elektro-lokomotive
Straßenbahn
U-Bahn
Oberleitungsbus
Güterverkehr
Elektro-lokomotive
Gleisgebundene Elektro-
Flurfördermittel
Elektrische Förderanlagen
Luft
Elektroflugzeug
Solarflugzeug
10
um dieses zu verstehen
ewertung durchgeführt
diese geladen werden?
onomisch sinnvoll? Wie
mmenspiel der Akteure
Überblick über das An-
erkehrs auf der Straße
en PKW. Diese können
zeug
eug
Wasser
Elektrofähre
Elektro-U-Boot
Elektro-Jet-Ski
11
entsprechend ihres Grades an Elektrifizierung in mehre Kategorien eingeteilt werden. Es wird zwi-
schen Fahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschinen, Hybrid-Fahrzeugen, Plug-In-Hybridfahrzeugen,
Fahrzeugen mit Reichweitenverlängerung, batteriebetriebenen und Brennstoffzellenfahrzeugen un-
terschieden (Tabelle 3).
Verbrennungskraftmotor (Internal Combustion Vehicle, ICV)
Die klassische Verbrennungskraftmaschine (Otto- oder Diesel-Prozess) liefert die Energie, die über
ein Getriebe an den Antrieb weiter geleitet wird. Die Batterie des Fahrzeuges wird über die Lichtma-
schine mit Strom geladen. Sie versorgt den Anlasser und die Bordelektronik, nicht aber den Antrieb.
Hybrid-Fahrzeug23
Das Konzept von Hybridfahrzeugen ermöglicht es, die Effizienz von konventionellen Antrieben, gera-
de im Teillastbetrieb, zu steigern und Bremsenergie zurückzugewinnen. Es existieren verschiedene
Hybridfahrzeugtypen, je nach Größe des elektrischen Speichers. Man unterscheidet zwischen Mikro-,
Mild- und Voll-Hybriden. Der Grad der Elektrifizierung reicht von der Unterstützung durch Start-
Stopp-Automatik, Rekuperation und Beschleunigungsunterstützung, bis hin zu kurzen Strecken voll-
elektrischen Fahrens. Das Fahrzeug wird allerdings ausschließlich mit konventionellen Kraftstoffen
betankt.
Plug-In-Hybrid-Fahrzeug (Plug-In Hybrid Electric Vehicle, PHEV)23
Plug-in-Hybrid-Fahrzeuge besitzen einen größeren elektrischen Speicher gegenüber den normalen
Hybridfahrzeugen. Darüber hinaus können sie über eine Steckerverbindung am Stromnetz geladen
werden und haben eine höhere vollelektrische Reichweite (ca. 50 km).
Fahrzeug mit Reichweitenverlängerung (Range Extended Electric Vehicle, REEV)24
Der Schwerpunkt bei einem REEV liegt auf dem elektrischen Antrieb. Der zusätzliche Verbrennungs-
motor dient lediglich zur Erweiterung der elektrischen Reichweite. Bei entladener Batterie erzeugt
der zusätzliche Verbrennungsmotor über einen Generator den Strom für den Antrieb oder kann zu-
sätzlich die Batterie laden. Der Verbrennungsmotor ist dabei nicht direkt mit dem Antriebsstrang des
Fahrzeugs verbunden. Bei diesem Konzept arbeitet der Motor größtenteils in seinem optimalen
Drehzahlbereich, wodurch eine Effizienzsteigerung erreicht wird.
Batteriebetriebenes Fahrzeug (Batterie Electric Vehicle, BEV) 23
Batteriebetriebene Fahrzeuge ziehen die Energie allein aus dem elektrischen Speicher und werden
über das Stromnetz geladen. Die Reichweite wird durch die Speicherkapazität bestimmt. Im Schnitt
verbraucht ein BEV ca. 23 kWh auf 100 km. Wobei die Reichweite stark von der Fahrweise und den
Witterungen abhängt. Hierbei ist zu beachten, dass alle Verbraucher im Auto (Lüftung, Klimaanlage,
etc.) ebenfalls durch die Batterie mit Energie versorgt werden.
23
(Jochem, et al., 2012) S.128 ff. 24
(Kaiser, et al., 2011) S.29 f.
12
Brennstoffzellen Fahrzeug (Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)
Auch Brennstoffzellenfahrzeuge nutzen einen elektrischen Antrieb. Jedoch kommt die elektrische
Energie nicht aus einer Batterie, sondern wird durch die kontrollierte Reaktion zwischen Sauerstoff
und Wasserstoff (auch Kohlen-Wasserstoff-Verbindungen sind möglich bspw. Methan, Methanol) in
elektrische Energie umgewandelt. Eine Batterie dient hier nur als Zwischenspeicher, da die Brenn-
stoffzelle nicht mit variabler, sondern im Idealfall mit konstanter Leistungsabgabe betrieben wird.
Tabelle 3 fasst die aufgezeigten Fahrzeugtypen nach Elektrifizierungsgrad zusammen. Für die Be-
trachtung der Ladeinfrastruktur sind die Fahrzeugtypen PHEV, REEV, BEV interessant, da diese über
entsprechende Verbindungen (kabelgebunden, kabellos) an das Stromnetz angeschlossen werden.
Tabelle 3: Einteilung der Fahrzeuge nach Elektrifizierungsgrad25
ICV
Hybrid
(mikro, mild, voll)
PHEV
REEV
BEV
FCEV
Diesel- und Ot-
tomotoren wer-
den auch in Zu-
kunft weiter
optimiert. Ihr
Effizienzpotential
ist noch nicht
ausgeschöpft.
In Hybridfahrzeu-
gen kommen
Elektro- und
Verbrennungs-
motor zum Ein-
satz. Eine Batterie
wird beim Fahren
über den Motor
aufgeladen. Sie
dient auch der
Speicherung von
Bremsenergie.
Der Stromspei-
cher in Plug-In-
Hybriden kann
zusätzlich über
das Stromnetz
aufgeladen wer-
den. Wie beim
Hybrid dient die
Batterie als Spei-
cher von Brems-
energie.
Bei Bedarf er-
zeugt z.B. ein
Verbrennungs-
motor mittels
eines Generators
Strom für den
Elektromotor. Die
Reichweite wird
somit deutlich
verlängert.
Die Energie für
den Antrieb
kommt aus-
schließlich aus
der Batterie.
Diese wird über
das Stromnetz
aufgeladen.
Die Stromerzeu-
gung für den
Motor geschieht
direkt an Bord. In
der Brennstoffzel-
le wird die chemi-
sche Energie von
Wasserstoff in
elektrische Ener-
gie umgewandelt.
25
Nach (VDA, 2011) S.8
13
2.2 Ladearten
Die verschiedenen Ladearten differenzieren sich nach der Leistung, mit der geladen werden kann.
Diese ergibt sich aus der Kombination aus Spannung und zulässiger Stromstärke am Anschlusspunkt
(Tabelle 5). Beispielsweise kann in Deutschland auf die Spannungsstufen 230 V (1-phasig AC) und 400
V (3-phasig AC) zurückgegriffen werden. In Gebäuden ist die Absicherung auf 16 A oder 32 A be-
grenzt. Hier ergeben sich also die Leistungsstufen 3,7 kW, 11 kW und 22 kW. Leitungen zum Hausan-
schluss können bis zu 63 A liefern. Hier kann mit einer Leistung bis 44 kW geladen werden. Gleich-
stromladen kann mit einer Spannung von 450 V und Stromstärken zwischen 32 A und bis zu 100 A
realisiert werden. Es ergeben sich daraus Ladeleistungen bis 45 kW. Weitere Entwicklungen der DC-
Schnellladung sollen bis 60 kW ermöglichen.
Das Laden von Elektrofahrzeugen kann auf unterschiedliche Weise geschehen. Klassifikationen des
Ladens existieren hinsichtlich des Ladeortes und der technischen Konfiguration26:
1. Normalladen im privaten Raum
2. Normalladen im halb öffentlichen Raum: Gewerbliche und öffentlich zugängliche Bereiche
wie Firmengelände, Kundenparkplätze, etc.
3. Normalladen im öffentlichen Raum: Ladepunkte im rein öffentlichen Raum; Straßenrand, In-
nerorts
4. Schnellladen: Schnellladestationen an öffentlich zugänglichen und viel befahrenen Orten mit
höherer Leistung als beim Normalladen
In der technischen Konfiguration ist sowohl Wechsel- (AC) also auch Gleichstromladen (DC) in ver-
schiedenen Leistungsklassen möglich. Im Folgenden werden die vier Lade-Modi nach IEC 61851 auf-
geführt.27
Mode 1
Mode 1 beschreibt die Technik den elektrischen Speicher an Schutzkontakt-
steckdosen aufzuladen. Hierbei wird lediglich die elektrische Verbindung
zwischen Batterie und Stromnetz hergestellt und ohne Kommunikation oder
Überwachung geladen. Die maximal übertragbare Leistung bestimmt dabei
die Spannung und Stromstärke an der Steckdose. Zur Sicherheit vor Fehler-
strömen sollte der Anschluss mit einem Fehlerstromschutzschalter (Residual
Current Device RCD, FI-Schalter) ausgerüstet sein. Es wird kein Pilotkontakt
zur Überwachung des Ladevorgangs benutzt.
26
(AG3 Ladeinfrastruktur und Netzintegration der Nationalen Plattform Elektromobilität (NPE), 2012) S.1 27
(AG4 Normung, Standardisierung und Zertifizierung der Nationalen Plattform Elektromobilität (NPE), 2013)
Abbildung 8: Schema Mode 1
27
14
Mode 2
Mode 2 ergänzt Mode 1 um eine, in das Ladekabel integrierte Steuer- und
Schutzeinrichtung (IC-CPD). Der Ladevorgang wird über ein Pilotsignal über-
wacht und ist damit vor Fehlerströmen, zum Beispiel durch Isolationsfehler
etc. geschützt.
Mode 3
Mode 3 beschreibt das Laden mit einer speziell für das Laden von Elektro-
fahrzeugen vorgesehenen (zweckgebundenen) Steckdose. Beispiele dafür
sind Ladesäulen oder sogenannte Wallboxen. Das Ladekabel kann hierbei
auch fest an der Ladestation oder Wallbox angeschlossen sein. Durch die
zweckgebundene Auslegung der Systeme auf die Ladung von E-Fahrzeugen
ist ein hohes Maß an elektrischer Sicherheit, bspw. gegen Überlastung, ge-
geben.
Mode 4
Alle vorher genannten Ladebetriebsarten beziehen sich auf Laden mit
Wechselstrom. Mode 4 beschreibt das Laden mittels Gleichstrom. Zum La-
den der Batterie muss der Wechselstrom aus dem Netz im Fahrzeug in
Gleichstrom umgewandelt werden. Es liegt nahe die Gleichrichtung außer-
halb des Fahrzeuges vorzunehmen. Weiter erlaubt das Laden mit Gleich-
strom höhere Leistungen und damit kürzere Ladezeiten als bei Wechsel-
strom.
Abbildung 9: Schema
Mode 227
Abbildung 10: Schema
Mode 327
Abbildung 11: Schema Mode 4
27
15
Induktives Laden
Das induktive Laden erfolgt ohne direkten Kontakt zwischen Fahrzeug und
Stromnetz. Die Energieübertragung erfolgt durch Induktion mittels zweier
Spulen, im Auto und auf Ladeseite, beispielsweise im Boden unter dem
Fahrzeug (resonanten Induktionsladung).
Diese Technik befindet sich im Moment jedoch noch in der Phase von For-
schungsprojekten und ist im Vergleich zu der einfacheren Ladung über Kabel
weniger ausgereift. Trotz dieses aktuell vorhandenen Defizits gegenüber
den konduktiven Ladesystemen ist das induktive Laden ein wichtiges Thema
für die Zukunft. Durch die kontaktlose Energieübertragung kann zum einen
der Bedienkomfort erhöht werden, zum anderen werden dadurch auch viele
kleinere Zwischenladungen eine denkbare Alternative zu den längeren Ladestopps beim kabelgebun-
denen Laden. Viele aktuelle Forschungsprojekte und Praxiserprobungen zeigen, dass an diesem
Thema intensiv gearbeitet wird. Buslinien mit induktiven Ladestationen an Haltestellen werden er-
probt, größere stationäre Fahrzeugflotten, z.B. an Flughäfen werden elektrifiziert und mit induktiven
Ladestationen geladen. Einige Beispiele für laufende Projekte sind:
In New York werden Induktionsspulen in Kanaldeckeln auf Parkflächen am Straßenrand erprobt.28
Toyota arbeitet an einem kabellosen Heimladesystem für das Modell Prius und erprobt dieses seit
Februar 2014 im Praxistest. Das System überträgt 2 kW bei 85 kHz. Ein intelligenter Parkassistent hilft
bei der Positionierung.29
Die Firma Karabag (Hamburg) hat eine induktive Ladesäule entwickelt, bei welcher der Spulenkontakt
über die Front des Autos erfolgt. Die Spule ist fahrzeugseitig hinter dem vorderen Nummernschild
platziert. Die Ladesäule wurde bereits in einem Praxistest in Kooperation mit Airbus getestet und hat
laut Hersteller Serienreife. Die Kosten liegen bei ca. 5.000€.30
Die BRUSA AG hat ein –laut Herstellerangabe– seriennahes System entwickelt, dass mit einer ver-
doppelten Leistung von 7,2 kW laden kann.31 Auch die Kooperation zwischen zwei großen Automobil-
zulieferern und Elektrotechnikunternehmen (Hella und Vahle) zeigt, dass das Thema induktives Laden
bei Herstellern angekommen ist.32 BMW und Daimler haben sich ebenfalls auf die gemeinsame Ent-
wicklung und den Einsatz einer einheitlichen Technik zum induktiven Laden geeinigt. Diese soll zu-
nächst mit einer Leistung von 3,6 kW betrieben und in Zukunft auf 7 kW gesteigert werden.33
28
(Wood, 2014) 29
(Toyota Deutschland, 2014) 30
(Jauernig, 2014) 31
(BRUSA Elektronik AG, 2014) 32
(Green Car Congress, 2014) 33
(Springer, 2014)
Abbildung 12: Schema
induktiv27
16
Batteriewechsel
Ein weiteres Konzept zum Laden von E-Fahrzeugen ist der Batterieaustausch. Vorteil der Methode ist
die theoretisch sehr kurze „Tankzeit“. Nachteil der Technologie ist ein sehr hoher Bedarf an Batte-
rien pro Fahrzeug. Dieser kann zwischen 30% und 100% pro Fahrzeug höher sein als bei fest instal-
lierter Batterie. Gerade in Spitzenzeiten wie Ferien wird eine große Infrastruktur benötigt.34 Durch
die Weiterentwicklung der Schnellladesysteme, und die Aussicht auf weitere Verbesserungen der
anderen Ladetechnologien, ist das Konzept des Batterietauschs in den Hintergrund gerückt. Ein pro-
minentes Beispiel hierfür ist das Unternehmen „Better Place“, das in Kooperation mit Renault ein
System entwickelte, um Batterien einfach auszutauschen. Im Mai 2013 musste das Unternehmen
Insolvenz anmelden.35
Tabelle 4 und Tabelle 5 fassen noch einmal die wichtigsten Ladearten und Leistungskombinationen
zusammen.
Tabelle 4: Ladearten36
Bezeichnung Strom Beschreibung
Mode 1 AC - Schutzkontaktsteckdose (Haushaltssteckdose)
- Keine Kommunikation
Mode 2 AC - Zusätzliche Steuer- und Schutzeinrichtung in Ladekabel integriert
- Pilotsignal zur Überwachung
Mode 3 AC - Laden an zweckgebundenen Steckdosen
- Datenaustausch zwischen Station und Fahrzeug
Mode 4 DC - Laden an zweckgebundenen Steckdosen
- Höhere Leistungen durch Gleichstrom
Induktives
Laden AC
- Kontaktloses Laden mittels Induktion
Tabelle 5: Übersicht über Ladeleistung37
Privat (AC) Öffentlich (AC) Induktiv DC-Laden Schnellladen
Spannung [V]
(Phasen)
230
(1)
400
(3)
400
(3)
230
(1)
400
(3)
400
(3)
400
(3)
230
(1)
400
(3)
400
(3) - 450 < 450 400
Stromstärke [A] 16 16 32 16 16 32 63 16 16 32 - 32 < 100 150
Leistung [kW] 3,7 11 22 3,7 11 22 44 3,7 11 22 60 < 20 < 50 60
34
(Waffenschmidt, 2013) 35
(Focus, 2013) 36
(AG4 Normung, Standardisierung und Zertifizierung der Nationalen Plattform Elektromobilität (NPE), 2013)
S.18 ff. 37
(Nationale Plattform Elektromobilität (NPE), 2010) S.25
2.3 Steckertypen und Aufb
Zurzeit existieren mehrere Konzep
sicht über die existierenden Stec
sind in der internationalen Norm I
In (Slowak, 2012) werden die En
stellt, in dem verschiedene Inter
2013 haben sich die Europäische
des Stecker Typ-2 für AC-Laden u
ausgesprochen. Die Stecker best
drei-phasigem Wechselstrom (Lei
dung (Plus- und Minuspol). Zusät
des Ladevorgangs. Der Control P
Ladestation zu übermitteln. Der
steckt ist, bevor eine Leistung üb
den, um ein Ausziehen des Stecke
Abbildung
In Abbildung 14 sind die verschie
rofahrzeug dargestellt.
38
Nach (Waffenschmidt, 2013)
Wechselstrom
(AC)
Typ-1
1-phasig
bis 70 A
Typ-2
1-phasig
bis 70 A
bis 16 A
3-phas
bis
Aufbau der Ladesäule
nzepte für die Verwendung von Steckern. Abbildung
Steckertypen zum Laden von Elektrofahrzeugen. Di
rm IEC 62196 festgehalten.
Entwicklungen der letzten Jahre als regelrechter
nteressengruppen versuchen, ihre Vorschläge durc
sche Kommission und das Europäische Parlament f
en und des Combo-2 Steckers für DC-Laden in der E
bestehen aus fünf Kontakten für die Energieübertr
(Leiter 1-3, Neutralleiter, Erde) oder zwei Polen für
usätzlich enthält der Stecker zwei weitere Kontakte
ol Pilot-Kontakt (CP) dient dazu, Steuersignale zwis
er Proximity-Pilot (PP) dient zum Überprüfen, ob
g übertragen wird. Weiter kann der Stecker über St
eckers aus der Ladestation unter Last zu verhindern.
ung 13: Steckertypen zum Laden von Elektroautos38
chiedenen Steckertypen und die entsprechende Ver
Kabelgebundenes Laden
phasig
bis 63 A
Typ-3
1-phasig
bis 32 A
bis 16 A
3-phasig
bis 32 A
bis 16 A
Gleichs
(DC
Typ-2
bis 50 kW
ComStec
17
ung 13 zeigt eine Über-
Die Steckertypen 1-3
ter Systemkrieg darge-
durchzusetzen. Im Jahr
nt für die Verwendung
er Europäischen Union
bertragung mit ein- bis
n für die Gleichstromla-
takte zur Überwachung
zwischen Fahrzeug und
, ob der Stecker einge-
er Stifte verriegelt wer-
ern.
Verschaltung im Elekt-
eichstrom
(DC)
Combo Stecker
>50 kW
Chademo
>50 kW
18
Abbildung 14: Steckertypen und Verschaltung (CP=Control Pilot, PP=Proximity Pilot, PE=Erde, N=Neutralleiter, L=Außenleiter)
39
An die Ladesäule werden verschiedene Anforderungen an Funktion, Bedienung und Sicherheit ge-
stellt. Technisch realisiert werden die Funktionen durch einen modularen Aufbau der elektrischen
Komponenten wie in Schaltschränken. Das Blockschaltbild einer Ladesäule in Abbildung 15 zeigt,
welche Bauteile eine Ladestation enthält und in welcher Reihenfolge diese verschaltet sind.
Abbildung 15: Elektrische Komponenten der Ladeinfrastruktur40
39
(AG4 Normung, Standardisierung und Zertifizierung der Nationalen Plattform Elektromobilität (NPE), 2013)
S.38
Typ 3
Chademo
19
2.4 Authentifizierungs- und Abrechnungsarten
Gerade im öffentlichen und halböffentlichen Raum müssen Ladeeinrichtungen gegen Missbrauch
oder unbefugten Zugang geschützt werden. Im folgenden Kapitel werden Möglichkeiten zur Freigabe
der Ladestation sowie die Möglichkeiten der Abrechnung des Ladevorgangs aufgezeigt.
Automatische Authentifizierung
Hierbei findet über das Ladekabel eine Kommunikation zwischen Ladestation und Fahrzeug statt, z.B.
über Powerline Communication (PLC). Die Authentifizierung, Verriegelung und das Starten des Lade-
vorgangs erfolgen automatisch. Jedes Fahrzeug, bzw. jeder Nutzer und jede Ladestation erhalten
dafür eine eigene Identifikationsnummer. Das Prinzip ist auch unter dem Begriff Plug&Charge be-
kannt.
Schlüsselsysteme
Eine einfache Freischaltung mit gleichzeitiger Freigabe des Ladevorgangs kann über Schlüsselsysteme
geschehen. Hier kommen verschiedene Technologien zum Einsatz, z.B. Near Field Communication
(NFC), Radio Frequency Identification (RFID), Parkschein, Smart Card, analoge Schlüssel oder ein PIN-
Code. Durch das Schlüsselsystem wird eine Sperre der Ladestation aufgehoben. Dieser Schutz kann
eine Barriere sein, die physikalisch geöffnet wird (Klappe, Deckel) oder es kann eine elektronische
Freischaltung der Ladesäule erfolgen.
Telefonhotline und webbasierte Freischaltung
Ladesäulen können auch per Telefonauftrag oder über das Internet freigeschaltet werden. Kunden
und Ladepunkt müssen dabei ebenfalls eine eindeutige Identifikationsnummer besitzen. Mit einem
Passwort kann der Kunde sich authentifizieren und es erfolgt eine Fernfreischaltung des Ladepunk-
tes. Der Ladevorgang wird daraufhin automatisch gestartet. Die Freischaltung kann auch per SMS
oder über eine Smartphone App realisiert werden. Im Fall einer App können auch weitere Hilfsmittel,
wie die Auswahl der Ladesäule über Navigationskarten, realisiert werden.
Im Folgenden werden die technischen Möglichkeiten der Abrechnung dargestellt:
Vertrag
Im privaten Raum wird die Ladung des Elektrofahrzeugs vor allem über Stromlieferverträge des
Haushaltsstroms geregelt. Verträge können aber auch für das Laden an öffentlichen Ladestationen
abgeschlossen werden. Eine Abrechnung erfolgt dann monatlich, ähnlich wie bei Mobilfunkverträ-
gen.
40
(AG4 Normung, Standardisierung und Zertifizierung der Nationalen Plattform Elektromobilität (NPE), 2013)
S.44
20
Direktbezahlung
Für Ladesäulen im öffentlichen und halböffentlichen Raum kann es hilfreich sein, den Ladevorgang
direkt vor oder unmittelbar nach dem Ladevorgang abzurechnen. Hierbei stehen mehrere Möglich-
keiten zu Verfügung. Je nach Geschäftsmodell kann die Abrechnung der verbrauchten Energie (Be-
zahlung pro kWh) oder die Bezahlung einer sekundären Leistung wie beispielsweise die Parkdauer
(Bezahlung pro Ladevorgang; Bezahlung pro Stunde) in Frage kommen. Dabei können auch Pauscha-
len zur Abrechnung benutzt werden. Für die Direktbezahlung kann auch Micro Payment eingesetzt
werden. Hierbei werden geringe Geldbeträge bargeldlos (z.B. Giro-Karte) oder über NFC (Near Field
Communication) bezahlt.
Mobile Payment
Die Abrechnung von Ladevorgängen kann ebenfalls über Smartphones oder Mobilfunktarife erfolgen.
Hierbei wird das Laden per SMS oder App initiiert und die Bezahlung erfolgt über den Mobilfunkan-
bieter. Stromanbieter und Mobilfunkanbieter wickeln das Geschäft dabei unter sich ab. Auch Kombi-
nationen aus Quick Response-Code (QR-Code) und Mobile Payment sind denkbar, wie zum Beispiel
das Prinzip von enjoyQR.41 Der QR-Code, der z.B. Informationen über die Ladestation enthält, kann
dabei mit dem Smartphone gescannt und eine Freischaltung und Abrechnung automatisch initiiert
werden.
2.4.1 Roaming in der Elektromobilität
Entsprechend dem Roaming bei Mobiltelefonen kann auch ein E-Roaming bei Elektrofahrzeugen
erfolgen. Einem Kunden, der einen Vertrag mit einem Anbieter abgeschlossen hat, ermöglicht das
Roaming die Leistungen dieses Vertrages an jeder beliebigen Ladestation beziehen zu können, ohne
einen weiteren Vertrag mit dem lokalen Anbieter abschließen zu müssen. Das E-Roaming basiert auf
bilateralen oder multilateralen Vereinbarungen zwischen verschiedenen Anbietern und kann sowohl
von der Seite des Ladestationsbetreibers, als auch des Elektromobilitätsanbieters definiert werden.42
Gerade wenn – wie häufig – Stromlieferant, Ladestationsbetreiber und Elektromobilitätsanbieter
nicht zusammenfallen, ist die Klärung und Abrechnung erforderlich.43 Über eine zentrale Stelle (Clea-
ring Stelle) wird die Validierung des Austausches von technischen Informationen, Vertragsdaten und
Sicherheitszertifikaten zwischen den Partnern bereitgestellt.
Die EURELECTRIC (Union der europäischen Elektrizitätsindustrie) unterscheidet zwei Arten von E-
Roaming:44
41
(SMF KG, 2014) 42
(CEN, CENELEC, 2011) S.56 43
(Kley, 2011) S.27 44
(Eurelectric, 2013) S.14
21
1. Roaming der Ladedienstleistung
Hierbei ist es dem Nutzer durch Verträge zwischen seinem Mobilitätsanbieter und dem Ladepunktbe-
treiber möglich, Ladestationen eines fremden Anbieters zu benutzen. Der Stromlieferant wird dabei
von dem Ladepunktbetreiber ausgewählt, welcher die Ladedienstleistung inklusive des Stroms an
den Mobilitätsanbieter des Nutzers verkauft. Dies bedeutet, dass der Stromanbieter am Ladepunkt
für den Kunden fix ist. Der Mobilitätsanbieter leitet die Kosten gebündelt an den Nutzer weiter
(Strom- und Infrastrukturabgabe).
2. Roaming von Elektrizität und Service
Hier hat der Kunde ebenfalls durch Vertragsabschlüsse zwischen seinem Mobilitätsanbieter und dem
Ladepunktbetreiber die Möglichkeit, an fremden Ladestationen Strom zu beziehen. Der Strom und
dessen Lieferant werden allerdings vom Mobilitätsanbieter ausgewählt. In diesem Falle ist der
Strompreis nicht Teil der Abrechnung zwischen Mobilitätsanbieter und Ladeinfrastrukturbetreiber. Es
wird lediglich eine Abgabe für die Benutzung der Ladestation berechnet. Der Strom wird dann zwi-
schen Mobilitätsanbieter und Nutzer in deren bestehendem Vertrag abgerechnet. In diesem Ansatz
ist der Ladepunktbetreiber ein neutraler Marktakteur und für die Weiterleitung der Daten zuständig.
Aus diesen zwei Unterscheidungen lassen sich, die in Abbildung 16 dargestellten, Fallbeispiele ablei-
ten (größere Darstellung siehe A7: E-Roaming Schemata). Im einfachsten Fall sind Energieversor-
gungsunternehmen (EVU), Netzbetreiber und Ladestationsbetreiber in einer Hand. Dies ist zum Bei-
spiel oft in kleineren Kommunen der Fall. Hierbei können Menge, Preis und zughörige Nutzer-ID über
den Backendserver mit dem Mobilitätsanbieter ausgetauscht werden. Der Mobilitätsanbieter, bei
dem es sich gegebenenfalls auch um dasselbe Unternehmen handelt, hat einen Vertrag mit dem
Nutzer und stellt ihm die Rechnung.
Im zweiten Fall sind nur Mobilitätsanbieter und EVU in einer Hand und legen den Preis des verkauf-
ten Stroms fest. Der Kunde lädt allerdings bei einem fremden Ladestationsbetreiber, sodass hierfür
eine Nutzungsgebühr anfällt. Die gemessene Strommenge wird in Kombination mit der Nutzer-ID
über den Netzbetreiber an den Mobilitätsanbieter weitergegeben. Dieser ordnet die ID seinem Kun-
den zu und stellt die Rechnung. Die Nutzung der verschiedenen Infrastrukturen von Mobilitätsanbie-
ter, Ladepunktbetreiber und Netzbetreiber werden vertraglich geregelt. Fall 3 beschreibt das Szena-
rio aus Fall 2 wenn EVU und Netzbetreiber in einer Hand liegen.
In Fall 4 sind alle Akteure eigenständig. Hier hat der Kunde zusätzlich die Möglichkeit an fremden
Ladestationen auch den Stromlieferanten frei wählen zu können. Die Strommenge und der Preis
werden der Nutzer-ID anonymisiert zugeordnet und jeweils unter den Akteuren ausgetauscht und
weitergegeben. Über das Clearing des Mobilitätsanbieters werden die Kosten dem Nutzer wieder
zugeordnet.
22
Abbildung 16: Fallunterscheidung E-Roaming
Für das Roaming sind einheitliche Identifikatoren (IDs) notwendig. In Deutschland hat der Bundes-
verband der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW) vom Bundesministerium für Wirtschaft und
Energie den Auftrag zugeteilt bekommen, als zentrale Vergabestelle E-Mobility-IDs für deutsche
Elektromobilitätsanbieter und Infrastrukturbetreiber zu vergeben.45 Diese IDs werden sowohl für die
Ladestations- (Electric Vehicle Supply Equipment ID - EVSEID) als auch für die Kundenidentifizierung
(e-Mobility Account Identifier - EMAID) vergeben. Die EVSEID und EMAID sind unabhängig von ihrer
Nutzung spezifiziert und können damit auf verschiedene Weisen eingesetzt werden. Zum Beispiel
kann die Provider-ID für die Authentifizierung von Elektromobilitätskunden über RFID-Karten, Tele-
fon und Webanwendungen oder nach ISO 15118 aus dem Fahrzeug heraus zum Einsatz kommen.46
Durch die Aufnahme dieses ID-Systems in die ISO 15118 ist die Vergabe der IDs international einheit-
lich.
45
(bdew-emobility.de) 46
(BDEW, 2014)
23
2.5 Dienstleistungen und Geschäftsmodelle im Zusammenhang mit Lade-
infrastruktur
Folgende Prozesse werden für die Abwicklung des Ladevorgangs benötigt und ermöglichen Dienst-
leistungen anzubieten und Geschäftsmodelle zu entwickeln.47
Benutzerregistrierung
Nach Abschluss eines Dienstleistungsvertrags zwischen Nutzer und Ladeserviceanbieter erhält der
Nutzer eine persönliche Identifikation zur Authentifizierung, welche in einem zentralen Register hin-
terlegt ist. Werden die Informationen in einem einheitlichen Format festgehalten, ist es möglich, die
Informationen problemlos zwischen Anbietern zu tauschen, um Leistungen auch an anbieterfremden
Ladestationen zu beziehen.
Benutzerauthentifizierung / Benutzerautorisierung
Die Authentifizierung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen (siehe Abschnitt 2.4). Gemein ist
Allen, dass Informationen in einer sogenannten Whitelist zum Abgleich zur Verfügung stehen müs-
sen. Die Authentifizierung dient im eigentlichen Sinne nur zum Nachweis über den Besitz bestimmter
Rechte und einer eindeutigen Identifizierung. Die anschließende Autorisierung ist der technische
Vorgang, welcher den Nutzer bestimmte Aktionen durchführen lässt (z.B. das Laden des Elektroau-
tos). Authentifizierung und Autorisierung hängen direkt voneinander ab.
Ladevorgang
Nach der Authentifizierung und Autorisierung wird der Ladevorgang gestartet. Für die Verbindung
zwischen Fahrzeug und Infrastruktur sollte ein bestimmtes Zeitfenster zur Verfügung gestellt werden,
nach dem die Authentifizierung aufgehoben wird, um Missbrauch zu verhindern. Der Ladevorgang
wird überwacht und beendet, sobald die Batterie geladen ist oder der Benutzer den Ladevorgang
beendet. Die überwachten und gemessenen Daten werden an das Back-End-System der Ladesäule
übertragen.
Messen
Elektrizitätszähler sind, wie auch Haushaltszähler, an jedem Anschlusspunkt installiert. Grundsätzlich
lassen sich zwei Anbindungsvarianten unterscheiden: direkte und indirekte Anbindung.48 Die beiden
Varianten unterscheiden sich im Ort des abrechnungsrelevanten Zählers (Abbildung 17). Dieser kann
sich entweder in der Ladestation (indirekt) oder im Fahrzeug (direkt) befinden. Im letzteren Fall
kommuniziert das Fahrzeug direkt mit der Abrechnungsstelle.
47
(Brand, 2013) S.34 ff. 48
(Link, 2011) S.36
24
Abbildung 17: Indirekte und direkte Zähleranbindung48
Clearing und Ausgleich (finanziell)
Erfolgt die Abrechnung nicht direkt zwischen dem Kunden und seinem Ladestromanbieter, beispiels-
weise wenn der Ladevorgang an der Infrastruktur eines fremden Anbieters erfolgt, wird eine Klärung
des Vorgangs benötigt. Zurzeit wird dieses sogenannte Clearing hauptsächlich zwischen Ladepunkt-
betreiber und Ladedienstleister betrieben, soweit diese nicht dieselben sind. Hier werden die Mess-
daten des Ladevorgangs ausgetauscht, auf deren Basis die Abrechnung stattfindet. Benötigt wird
dazu eine gemeinsame Datenplattform, wie beispielsweise das European Clearing House System
(eCHS von e-clearing.eu). Die Abrechnung wird dabei nach Ablauf des Monats vollzogen.
Ausgleich (elektrische Leistung)
Auf Grund der Struktur des Energieversorgungssystems müssen Angebot und Nachfrage (Erzeugung
und Verbrauch) des Stroms stets im Gleichgewicht sein. Regelgröße ist hierbei die Netzfrequenz.
Mittels Abschätzungen durch die Marktteilnehmer wird der Verbrauch vorhergesagt. Abweichung
von den Vorhersagen müssen durch Regelenergie nachgekauft werden.
Netzintegration - Smart Charging
Auf Grund der Auswirkungen von Elektrofahrzeugen und deren Ladung auf das Elektrizitätsnetz so-
wie dem Zusammenspiel des Ladevorgangs und den fluktuierend auftretenden erneuerbaren Ener-
gien ist es sinnvoll, den Ladevorgang intelligent zu steuern. Zu erwarten sind Netzbelastungen vor
allem auf der Verteilnetzebene.
Man unterscheidet die beiden Möglichkeiten Grid-to-Verhicle (G2V) und Vehicle-to-Grid (V2G) nach
dem Energiefluss. G2V beschreibt unidirektionales Laden mit dem Energiefluss von Netz zum Fahr-
zeug, wobei hier der Zeitpunkt der Ladung ad-hoc oder zeitversetzt erfolgen kann. V2G beschreibt
bidirektionales Laden bei dem der Energiefluss auch vom Fahrzeug zum Netz erfolgt.49 Hierdurch
kann das Laden der Elektrofahrzeuge in Off-Peak-Zeiten verschoben werden. Aus diesem Ansatz er-
49
(AG4 Normung, Standardisierung und Zertifizierung der Nationalen Plattform Elektromobilität (NPE), 2013)
S.70
25
geben sich ebenfalls Dienstleistungen und neue Geschäftsmodelle, die Anreiz schaffen sollen, ein
Smart Charging zu betreiben. Eine Möglichkeit wäre es, durch Strompreissignale, die die aktuelle
Netzsituation und das Angebot an erneuerbaren Energien widerspiegeln, das Ladeverhalten zu steu-
ern (hohe Last, geringes Angebot � hoher Strompreis). Durch die langen Standzeiten von Fahrzeu-
gen allgemein, wären Elektrofahrzeuge dafür gut geeignet. Hierbei müssen allerdings auch spezielle
Anforderungen beachtet werden, wie die verursachergerechte Weitergabe von Stromgestehungskos-
ten und Netznutzung an die Abnehmer, effiziente Abrechnung der Stromabnahme bei einer hohen
Anzahl an Kunden, ein verständlicher Aufbau des Tarifmodells sowie Beeinflussungspotenzial von
Lastgängen. Denkbar sind Modelle mit einem zeitabhängigen, lastabhängigen oder zeit- und lastab-
hängigen Arbeitspreis. Interessant werden diese Modelle jedoch erst mit einer hohen Durchdringung
mit Elektrofahrzeugen und entsprechenden Informations- und Kommunikationstechnologien der
Ladeinfrastruktur, da erst ab dieser Phase ein entsprechender Strombedarf zu erwarten ist.50
Für die Umsetzung von Smart Charging werden in der Ladeinfrastruktur zusätzliche technische Kom-
ponenten benötigt. Load Controller sind Geräte die eine Aktuatorfunktion haben. Sie können ange-
schlossene Verbraucher schalten. Gateway Controller stellen die Kommunikation zwischen den Ver-
brauchen und dem übergeordneten Energieinformationsnetz dar. Sie setzen verschiedene Kommuni-
kationsprotokolle (bspw. Zählerkommunikation, Gerätekommunikation etc.) in ein gemeinsames,
übergeordnetes Protokoll um.51
All diese Prozesse benötigen bestimmte technische und verwaltungstechnische Voraussetzungen,
wodurch der Aufbau und der Betrieb von Ladeinfrastruktur viele Ansatzpunkte für Dienstleistungen,
Geschäftsmodelle oder andere unternehmerische Leistungen (Produktion etc.) eröffnen. Hieraus
ergeben sich folgende mögliche Geschäftsmodelle (Abbildung 18):
50
(Paetz, et al., 2012) S.2 51
(Satikidis) S.37
Abbildung 18: Überblick
2.6 Stakeholder im Bereic
Im folgenden Abschnitt sollen die
in Verbindung mit Ladeinfrastrukt
fen, wie das System Ladeinfrastru
wie die verschiedenen Akteure mi
In (Hoerstebrock, et al., 2012)
Macht, Legitimität und Dringlichk
Forschung und Entwicklung defin
Energieversorger, die Automobilin
eine Überschneidung zwischen M
52
(Kley, 2011) S.170
Fahrzeugzentrisch
•Leasing des Fahrzeugs
•Leasing der Batterie
•Car-Sharing
•Multi-modale Mobilität, Integrati
•Fahrzeugdienste (Softwarediagno
•Batterierecycling
Infrastrukturzentrisch
•Abrechnung mir der privaten Stro
•Abrechnung mit der Parkgebühr
•Hochleistungsladen
•Roamingmöglichkeit
•Applikation zum Auffinden und R
•Induktive Ladung
•Abrechnung mit Bezahlkarten
•Werbung an der Ladesäule
•Werbung mit der Ladesäule
Systemdienstleistungszentrisch
•Integration mit erneuerbarem Str
•Spitzen- und Schwachlasttarife
•Aggregator zum Stromhandel an d
Gemischte Modelle
•Auto-/Strom-Tarife bzw. Bündel m
•Integration in Smart-Home-System
•Smartphone: Stromverbrauch etc
•Leasing und Batterietausch
•Flotten-/ städtischer Lieferverkeh
lick verschiedener Vorschläge elektromobiler Geschäftsm
ereich Ladeinfrastruktur
die verschiedenen Stakeholder, also Akteure und
truktur aufgezeigt werden. Hiermit wird ein Überblic
struktur technisch, wirtschaftlich und gesellschaftlic
e miteinander gekoppelt sind.
werden Stakeholder durch die Überschneidung
hkeit in Gruppen eingeteilt (Abbildung 19). Dabe
efinitive Stakeholder aus der Überschneidung aller
bilindustrie sowie die Nutzer werden als dominant
en Macht und Legitimität, bezeichnet. Vernachläss
gration mit anderen Verkehrsträgern
agnosen, Fehlerspeicher)
Stromrechnung
ühr
nd Reservieren von Ladestationen
isch
Strom
an den Regelenergiemärkten
del mit Ladeinfrastruktur
ysteme
etc.
rkehr
26
äftsmodelle52
nd Interessengruppen,
rblick darüber geschaf-
ftlich aufgebaut ist und
dung der Dimensionen
abei sind Politik sowie
aller drei Dimensionen.
nante Stakeholder, also
lässigbare Stakeholder
27
(nur Legitimität) sind dabei Infrastrukturbetreiber, Finanzdienstleister sowie Informations- und
Kommunikationstechnikdienstleister (IKT). Dabei ist die fehlende Dimension Macht daher begründet,
dass ein Abhängigkeitsverhältnis zu Energieversorgern und der Automobilindustrie besteht. Vernach-
lässigbar bedeutet jedoch nicht eine untergeordnete Rolle in der Wichtigkeit dieser Akteure für die
Elektromobilität.
Abbildung 19: Stakeholderklassen53
Diese acht Stakeholder lassen sich noch weiter aufgliedern. Aus dem in den letzten Jahren schnell
wachsenden Markt der Elektromobilität, entstanden Dienstleistungsangebote, Geschäftsmodelle und
Marktteilnehmer. Eine ausführliche Darstellung über den aktuellen Stand und weitere Entwicklungen
wird in (Brand, 2013) gegeben. Hierbei wird die Ladeinfrastruktur in folgende Ebenen aufgeteilt:
- Geschäftsebene
- Dienstleistungsebene
- Anwendungsebene
- Infrastrukturebene
Die Darstellung der E-Mobility Coordination Group zeigt eine Modellierung mit fünf anstelle von vier
Ebenen. Die Ebenen sind: Geschäftsebene, Funktionsebene, Informationsebene, Kommunikations-
ebene, Komponentenebene. Abbildung 20 zeigt Aufbau und Struktur eines Smart-Grids, in dem die
Elektromobilität als ein Baustein betrachtet werden kann und verbildlicht sehr gut den Übergang von
der Komponenten- oder Infrastrukturebene zur Geschäftsebene.
53
Nach (Hoerstebrock, et al., 2012) S.3
28
Abbildung 20: Ebenen einer Referenzarchitektur Ladeinfrastruktur54
Die Geschäftsebene enthält Ziele und Prozesse sowie politische Rahmenbedingungen. Die Funktions-
ebene repräsentiert Anwendungen sowie Funktionen und Dienste, die abstrakt und unabhängig von
der physikalischen Implementierung sind. Die Informationsebene beschreibt Datenmodelle und In-
formationspakete, die von der Funktionsebene erfordert werden. Die Kommunikationsebene be-
schreibt Schnittstellen, Protokolle und Mechanismen zum interoperablen Austausch von Informatio-
nen zwischen den Komponenten für die jeweiligen übergeordneten Anwendungsfälle. Die Kompo-
nentenebene, beschreibt die Komponenten der elektrischen Netze und Infrastruktur, welche für den
physikalischen Austausch und die Vernetzung aller beteiligten Systeme zuständig sind. Aufgespannt
werden die verschiedenen Ebenen in Domänen, welche die Umwandlungskette von elektrischer
Energie abdecken (bspw. Elektrizitätserzeugung, Übertragung, Verteilung, etc.) und Zonen, welche
die Stufen des Managements in der Stromversorgung wiederspiegeln (Prozess, Unternehmen, Markt,
etc.).55
Aus der Ebenendarstellung ergibt sich die Möglichkeit sowohl Top-down- als auch Bottom-Up-
Entwicklungen durchzuführen. Bei der Top-down-Methode werden, ausgehend von der Geschäfts-
bzw. Funktionsebene, die Ebenen nach unten entwickelt. Hierbei wird ermittelt, was zur Erfüllung
gesetzter Ziele auf unterster Ebene (Komponentenebene) benötigt und erwünscht wird. Umgekehrt
54
(EM-CG E-Mobility Coordination Group, 2012) 55
(Williams, et al., 2013) S.18 ff.
29
werden bei der Bottom-Up Methode von der Komponentenebene ausgehend die Ebenen nach oben
analysiert. Hierbei wird der Frage nachgegangen: Was existiert und wie kann es genutzt werden?
Entlang der Verbindungen zwischen den Ebenen ergeben sich unterschiedliche Positionen und
Markteintrittsmöglichkeiten für Akteure mit unterschiedlichen Interessen (Abbildung 21). Es ergeben
sich aktuell folgende Marktteilnehmer, die an der Ladeinfrastruktur beteiligt sind56:
- Energieerzeuger
Erzeuger und Einspeiser der Energie auf Verteil- oder Übertragungsnetzebene
- Verteilnetzbetreiber (Distribution System Operator DSO)
Zuständig für die regionale Versorgungsstabilität, den Zugang und die Integration erneuerba-
rer Energien zum Energieversorgungsnetz auf der Verteilnetzebene
- Übertragungsnetzbetreiber (Transmission System Operator TSO)
Ist für das stabile Betreiben des Energieversorgungssystems inklusive dem physikalischen
Ausgleich auf überregionaler Ebene zuständig
- Energieversorger (einziger Schnittpunkt zwischen Energieerzeuger und Energieverbraucher)
Hat vertragliche Vereinbarungen mit dem Endnutzer über die Versorgung mit Energie
- Energiehändler (Börse)
Händler für die tatsächliche Lieferung der Energie, der Angebote der Bilanzkreisgruppenver-
antwortlichen entgegen nimmt; definiert den Energiepreis am Markt
- Bilanzkreisgruppenverantwortlicher
Erbringt, vertraglich geregelt, die finanzielle Sicherheit der Ausgleichsverantwortlichen und
berechtigt diese dadurch erst zur Marktteilnahme und zum Kauf- und Verkauf von Energie
auf dem Gesamtmarkt
- Messstellenverantwortlicher
Verantwortlich für die Installation, Wartung, Zertifizierung sowie die Auslesung der Zähler
- Ladepunktbetreiber (Charging Station Operator CSO)
Ist vertraglich mit dem Energieversorger verbunden und bietet Zugang zu Ladestationen so-
wie Ladeservices an und stellt diese in Rechnung
- Ladeserviceanbieter (Charge Service Provider CSP - Vermittler zwischen Nutzer und CSO)
Ist Vertragsanbieter für den Nutzer und kümmert sich um die Authentifizierung und die Ab-
rechnung des Ladevorgangs
- Elektromobilitätsnutzer
Nutzer und Besitzer von Elektrofahrzeugen; stellt Anforderungen an die Benutzung und
nimmt durch sein Verhalten Einfluss auf Hersteller, Anbieter und Betreiber
56
(Brand, 2013) S.14 ff.
30
- Clearing-Stelle
Ermöglicht das E-Roaming; sammelt Vertragsdaten der Akteure und Vermittelt zwischen ih-
nen
- Automobilindustrie (OEMs)
Produziert Elektrofahrzeuge und bietet Dienstleistungen im Zusammenhang ihrer eigenen
Fahrzeuge an
- IKT-Dienstleister
Stellt Kommunikationstechnik und -dienstleistungen zwischen den Akteuren bereit
- Politik
Setzt Rahmenbedingungen durch Gesetze und Anreize und kann dadurch steuernd auf alle
Bereiche wirken
- Forschung und Entwicklung
Technologischer Vorantreiber durch Analyse, Neu- und Weiterentwicklung von technischen
Komponenten, Geschäftsmodellen und Nutzungskonzepten
Abbildung 21 zeigt eine Übersicht, welche Interessen einige der Stakeholder verfolgen.
Staat Netzbetreiber Produzent Händler Kunde
Versorgungssicherheit
durch Effizienz
hohe Planbarkeit
bei wenig
Infrastrukturausbau
hohe Produktion bei
wenig Kapazitätsmarge
viel Handel bei
hoher Marge
tiefe Preise (und allen-
falls Effizienz)
Netzstabilität
Nachfrage > Angebot
statisch
Nachfrage ≠ Angebot
dynamisch
tiefe Lastspitzen hohe Lastspitzen
tiefer Stromverbrauch hoher Stromverbrauch tiefer Stromverbrauch
(ökol. Motiv)
hohe Abnahmepreise tiefe Endkundenpreise
Abbildung 21: Stakeholderinteressen57
Viele der Rollen werden von ein und demselben Akteur übernommen, sodass sich sogenannte Elekt-
romobilitätsanbieter entwickeln.
57
Nach (Sprenger, 2011) S.22
31
2.7 Kosten verschiedener Ladeinfrastrukturlösungen
In (Kley, 2011) wird eine detaillierte Auflistung der Kosten verschiedener Ladeszenarien zusammen-
gestellt und diese über zu erwartende Auslastung dem konsumierten Strom zugeordnet. Diese Auflis-
tung wird in diesem Kapitel dargestellt. In Tabelle 6 werden zunächst die verschiedenen Ladeszenari-
en aufgelistet. Sie unterscheiden sich in Bezug auf den Standort (privat, halböffentlich, öffentlich)
und die technische Konfiguration (Anschlussleistung, Anschlussart und Abrechnung). Es ergeben sich
daraus sieben Szenarien für das kabelgebundene Laden und sechs Szenarien für das induktive Laden.
Im privaten Bereich wird mit geringeren Leistungen ohne Abrechnung geladen. Im halböffentlichen
und öffentlichen Bereich wird davon ausgegangen, dass höhere Anschlussleistungen bereitgestellt
werden, um bei den kürzeren Standzeiten (im Vergleich zum privaten Laden) mehr Energie übertra-
gen zu können. Auch Gleichstromladung wird hier betrachtet. Es wird ebenfalls davon ausgegangen,
dass durch die kürzeren Standzeiten keine Steuerung des Ladevorgangs notwendig ist (netzgesteuer-
tes Laden), jedoch immer eine separate Abrechnung erfolgt.
Tabelle 6: Ladeinfrastrukturszenarien zur ökonomischen Bewertung
Technologie Standort Anschlussleistung Anschlussart Abrechnung Szenario
Konduktiv
Privat 3,7 kW ungesteuert
Nein
K1
11,1-22,2 kW
gesteuert
K2
Halböffentlich 11,1-22,2 kW K3
Ja
K4
Öffentlich
11,1-22,2 kW
ungesteuert
K5
43,6 kW K6
100 kW (DC) K7
Induktiv
Privat 3,7 kW ungesteuert
Nein
I1
11,1 kW
gesteuert
I2
Halböffentlich 3,7 kW I3
11,1 kW
Ja
I4
Öffentlich 3,7 kW
ungesteuert I5
11,1 kW I6
Kosten kabelgebundener Ladesysteme
Tabelle 7 zeigt die Auflistung der Kosten kabelgebundener Ladesysteme. Die Kosten teilen sich auf in
Anschaffungskosten, die einmalige Investitionen sind und Betriebskosten, die jährlich anfallen.
Zu den Anschaffungskosten zählen die Kosten für die Infrastrukturhardware, welche sich aus den
wichtigsten elektrischen Komponenten zusammensetzten (Überspannungsschutz, Fehlerstrom-
schutzschalter etc.) und die Kosten für das Gehäuse. Weitere Kosten entstehen durch Kommunikati-
onshardware, Stecker und Ladekabel sowie die Montage- und Baukosten zur Errichtung der Ladesäu-
le. Bei der Leistungselektronik (Gleichrichter, etc.) wurde in dieser Aufstellung davon ausgegangen,
32
dass diese größtenteils im Fahrzeug verbaut wird (On-board-Ladeeinheit). Erst bei der Gleichstromla-
dung wird die Leistungselektronik auch in der Ladesäule benötigt.
Die Betriebskosten teilen sich auf in Wartungskosten, Stellplatzmiete, Kommunikationskosten und
Kosten für die Messung. Im privaten Bereich fallen die letzteren gänzlich weg. Erst im öffentlichen
Raum muss gegebenenfalls eine Stellplatzmiete berücksichtigt werden. Die Wartungskosten werden
mit ca. 5-10% der Hardwarekosten angenommen. Es ist zu erkennen, dass mit steigender Leistung
und steigenden Anforderungen an die Ladesäule für öffentliche Aufstellung die Kosten ansteigen.
Speziell die Kosten für die Infrastrukturhardware sowie Montage- und Wartungskosten steigen stark
an. Bei Gleichstromladung haben die Kosten für die Leistungselektronik, die in den anderen Szenari-
en nicht benötigt wird, den größten Anteil.
Tabelle 7: Kosten des konduktiven Ladesystems auf Basis von Einzelkomponenten
Komponenten
Konduktive Ladeinfrastrukturkosten (in € sowie €/a)
K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7
An
sch
affu
ngs
ausg
abe
n
Infrastrukturhardware 50-100 100-300 500-1.000 500-1.000 1.000-
4.000
2.000-
8.000
8.000-
16.000
Kommunikationshardware / 50-100 200-1.000 200-1.000 200-1.000 200-1.000 200-1.000
Abrechnungshardware / / / 500-1.000 500-1.000 500-1.000 500-1.000
Leistungselektronik / / / / / / 15.000-
20.000
Ladekabel mit Stecker 50 100 100 100 100-250 100-250 250-500
Montage-/ Baukosten 50-200 100-300 200-500 200-500 1.000-
5.000
1.000-
5.000
2.000-
10.000
Be
trie
bsk
ost
en
Stellplatzmiete / / / / 300-1.200 300-1.200 300-1.200
Wartungskosten 5-15 13-50 40-210 65-310 90-625 140-1.025 1.198-
3.850
Kommunikationskosten / / 60-120 60-120 60-120 60-120 60-120
Messung / / / 250-500 250-500 250-500 250-500
Kosten kabelloser Ladesysteme
Tabelle 8 zeigt die Auflistung der Kosten induktiver Ladesysteme. Bei der Aufstellung der Anschaf-
fungskosten wurden in diesem Fall zusätzlich Kosten betrachtet, die durch die Um- oder Aufrüstung
des Fahrzeugs, also auf Sekundärseite, entstehen. Bis auf den Austausch von Ladekabel und Stecker
durch Spulensysteme ist die Einteilung der Komponenten ansonsten identisch. Durch die komplexere
Technik (Leistungselektronik, Kommunikationshardware, Spulensystem) sind die Kosten induktiver
Systeme bereits bei privaten Anwendungen mit kleiner Ladeleistung teuer im Vergleich zu kabelge-
bundenen Systemen. Durch das Fehlen des Gehäuses und die relativ einfache Installation der Spulen-
systeme auf oder im Boden, steigen die Kosten mit den höheren Anforderungen im öffentlichen Be-
reich (Schutz gegen Witterung und Vandalismus) jedoch nicht so stark an wie bei konduktiven Lade-
systemen. Dadurch, dass der Ladevorgang nicht durch das Einstecken des Kabels automatisch startet
33
sind die Kosten für Kommunikationshardware sowohl im privaten als auch im öffentlichen Bereich
vorhanden. Auch diese Kosten steigen jedoch mit den unterschiedlichen Einsatzorten nicht an. Glei-
ches gilt für die Leistungselektronik und das Spulensystem, sowohl primär- als auch sekundärseitig.
Die laufenden Kosten von induktiven Ladesystemen sind vergleichbar mit den Kosten konduktiver
Systeme, sie erfordern allerdings einen höheren Wartungsaufwand.
Tabelle 8: Kosten des induktiven Ladesystems
Komponenten
Induktive Ladeinfrastrukturkosten (in € sowie €/a)
I1 I2 I3 I4 I5 I6
An
sch
affu
ngs
ausg
abe
n
Infrastrukturhardware 50-100 50-100 500-1.000 500-1.000 500-1.000 500-1.000
Kommunikationshardware 500-1.000 1.000-2.000 1.000-2.000 1.000-2.000 1.000-2.000 1.000-2.000
Abrechnungshardware / / / 500-1.000 500-1.000 500-1.000
Leistungselektronik 1.000-1.500 1.500-2.000 1.000-1.500 1.500-2.000 1.000-1.500 1.500-2.000
Spulensystem 500-1.000 1.000-1.500 500-1.000 1.000-1.500 500-1.000 1.000-1.500
Montage-/ Baukosten 200-1.000 200-1.000 1.500-2.000 1.500-2.000 1.500-2.000 1.500-2.000
Leistungselektronik (sekundär) 800-1.200 1.000-1.700 800-1.200 1.000-1.700 800-1.200 1.000-1.700
Spulensystem (sekundär) 400-1.000 500-1.500 400-1.000 500-1.500 400-1.000 500-1.500
Montage-/Baukosten (sekundär) 200-300 200-300 200-300 200-300 200-300 200-300
Be
trie
bsk
ost
en
Stellplatzmiete / / / / 300-1.200 300-1.200
Wartungskosten 103-360 178-560 150-550 225-750 175-650 225-750
Kommunikationskosten / / 60-120 60-120 60-120 60-120
Messung / / / 250-500 250-500 250-500
Gesamt- und Strommehrkosten
Aus der Zusammenstellung der Kosten auf Komponentenbasis wurden zum einen die Gesamtkosten
(Total Costs of Ownership TCO), zum anderen aber auch die sogenannten Strommehrkosten ( �) er-
mittelt (Tabelle 9). Diese ergeben sich aus Annahmen über die durchschnittlich konsumierte Strom-
menge (����) und die Anzahl der zugeordneten Fahrzeuge (F). Diese Kosten entsprechen einem für
Fahrstrom zusätzlich zu erhebenden Mehrpreis pro Kilowattstunde.
Die Zeitdauer (��) zur Ermittlung der jährlichen Kosten wurde mit fünfzehn Jahren angenommen. Der
Diskontierungszinssatz (k) wurde variabel in Abhängigkeit des Aufstellungsortes bzw. dem damit ver-
bundenen Investor angenommen und beträgt im privaten Bereich 3% (privater Haushalt), im halböf-
fentlichen Bereich 8% (Unternehmen) und im öffentlichen Bereich 15% (Energieversorgungsunter-
nehmen). Die Gesamtkosten der Primärseite ergeben sich dann aus der Summe der Anschaffungs-
kosten (���,��) und den diskontierten Betriebskosten ( �) nach folgender Formel:
34
Formel 2: Gesamtkosten Ladeinfrastruktur
������ = ���,������ + ��
�� �1 − ��!"#$%1 − ��!" − 1&
Die zu erhebenden Strommehrkosten pro Fahrzeug ergeben sich aus:
Formel 3: Strommehrkosten pro Fahrzeug
!� = '1( ������ + ���)*"� +, ����-1 + ./�$%��� 01�
Tabelle 9: Gesamtüberblick der Ladeinfrastrukturkosten
Szenarien
Ökonomische Parameter der Ladeinfrastruktur
k �� ���,������ ��
�� ����� ���)*" F ����-1 + ./�$%��� �
[%] [a] [€] [€/a] [€] [€] [#] [kWh] [€/kWh]
Ko
nd
ukt
ive
Lad
un
g K1
3 15 150-350 5-15 206-519 / 1,0
29.076 0,01-0,02
K2 15 350-800 13-50 497-1.365 / 1,0 0,02-0,05
K3 8
15 1.000-2.600 100-330 1.824-5.321 / 2,0 21.221
0,04-0,13
K4 15 1.500-3.600 375-930 4.592-11.267 / 5,0 0,04-0,11
K5
15
15 2.800-11.250 700-2.445 6.807-25.246 / 5,0
14.735
0,09-0,34
K6 15 3.800-15.250 750-2.845 8.093-31.536 / 11,4 0,05-0,19
K7 15 25.950-48.500 1.808-5.670 36.300-80.958 / 25,6 0,10-0,21
Ind
ukt
ive
Lad
un
g I1
3 15 2.250-4.600 103-360 3.413-8.667 1.400-2.500 1,0
29.076 0,17-0,38
I2 15 3.750-6.600 178-560 5.761-12.926 1.700-3.500 1,0 0,26-0,56
I3 8
15 4.500-7.500 210-670 6.231-13.024 1.400-2.500 2,0 21.221
0,21-0,42
I4 15 6.000-9.500 535-1.370 10.411-20.795 1.700-3.500 2,3 0,29-0,59
I5 15
15 5000-8500 785-2.470 9.494-22.639 1.400-2.500 2,0 14.735
0,42-0,94
I6 15 6.000-9.500 835-2.570 10.780-24.212 1.700-3.500 2,3 0,43-0,95
Durch den Vergleich mit den Kosten von konventionellen Kraftstoffen wurde ein Grenzwert für die
Strommehrkosten von 0,19 €/kWh ermittelt. Liegen die Kosten darüber ist es für den Nutzer günsti-
ger konventionellen Kraftstoff zu tanken.
Aus diesen Erkenntnissen wurde für die drei Standorte jeweils das ökonomisch attraktivste Ladesys-
tem ermittelt:
- Privates Laden mit Anschlussleistungen von 3,7-22,2 kW und durchschnittlichen Strommehr-
kosten von 0,01 €/kWh
- Laden im halböffentlichen Raum mit Anschlussleistungen von 11,1-22,2 kW und durch-
schnittlichen Strommehrkosten von 0,08 €/kWh
- Öffentliches Laden mit Anschlussleistungen von 11,1-43,6kW und durchschnittlichen Strom-
mehrkosten von 0,17 €/kWh
35
2.8 Normen, Richtlinien und Gesetze
Ein wichtiger Schritt hin zu einem einheitlich funktionierenden System ist die Schaffung von Stan-
dards, die von allen Marktteilnehmern akzeptiert und angewendet werden. Die Schaffung von Nor-
men, Richtlinien und Gesetzen erzeugt eine technische sowie wirtschaftliche Sicherheit. Dadurch hat
die Normungsarbeit entlang der gesamten Wertschöpfungskette für Hersteller, Dienstleister bis zum
Nutzer hohe Bedeutung. Ziel ist es Sicherheit, Kompatibilität und Leistung durch Standards aufzu-
bauen.58 Die Normungsarbeit im Bereich der Elektromobilität hat die Besonderheit, dass mehrere
bisher getrennt betrachtete Domänen zusammenwirken. Fahrzeugtechnik, Elektrotechnik und Kom-
munikationstechnik waren bisher unterschiedlichen Normungsinstitutionen zugeordnet und müssen
nun zusammengeführt werden.
Die Arbeit an der Entwicklung von Normen für Elektromobilität und speziell für die Ladeinfrastruktur
ist bereits weit vorangeschritten, jedoch noch nicht abgeschlossen. In diesem Kapitel wird ein Über-
blick über den aktuellen Stand und den Ausblick auf die Normungsaktivitäten in Deutschland, in der
Europäischen Union und auf internationaler Ebene gegeben.
Abbildung 22 zeigt eine Übersicht und die innere Struktur der verschiedenen Institutionen zur Erar-
beitung von Normen innerhalb Deutschlands, Europas sowie weltweit. Die nationalen Gremien sind
jeweils Mitglieder in den internationalen Spiegelgremien. So können nationale Interessen und Kom-
petenzen auch auf internationaler Ebene gebündelt werden. Auf allen Ebenen sind Koordinierungs-
gruppen zwischen der Seite der Fahrzeugtechnik (ISO, CEN, DIN) sowie der Elektrotechnik (IEC,
CENELEC, DKE) etabliert worden.
Abbildung 22: Übersicht und innere Struktur der Normungs- und Standardisierungslandschaft59
58
(Smart EV VC) S.7 59
(AG4 Normung, Standardisierung und Zertifizierung der Nationalen Plattform Elektromobilität (NPE), 2013)
S.9 ff.
36
Nach DIN 820 können Normen in unterschiedliche Arten aufgeteilt werden. Es gibt Gebrauchstaug-
lichkeitsnormen, Liefernormen, Maßnormen, Planungsnormen, Qualitätsnormen, Sicherheitsnor-
men, Stoffnormen, Verständigungsnormen60. Mit diesen Ansatzpunkten kann mit der Normung eine
bestimmte Richtung in der Entwicklung vorgegeben werden. Es können bestimmte Systeme forciert
werden oder aber die Entwicklung offen gelassen und Innovationen gefördert werden, indem nur
Schnittstellen oder Anforderungen definiert werden.
Grundsätzlich sind die Empfehlungen der Nationalen Plattform für Elektromobilität (NPE) für die
Elektromobilität61:
- Politische Flankierung ist europäisch und international erforderlich
- Normung muss schnell und international sein
- Koordinierung und Fokussierung ist zwingend erforderlich
- Normung muss klar und eindeutig sein
- Weltweit einheitliche Ladeinfrastruktur ist notwendig
- Vorhandene Normen müssen genutzt und weiterentwickelt werden
- Mitwirkung an europäischer und internationaler Normung ist essenziell
Da in Normen die Interessen vieler verschiedener Gruppen eingehen, ist der Prozess dementspre-
chend zeitaufwändig. Als Beispiel für den Ablauf der Erstellung der Normen ist das Vorgehen des IECs
folgendes:
Abbildung 23: Entwicklungsprozess von Normen der IEC62
60
(Deutsches Institut für Normung e.V., 2014) S.11 61
(AG4 Normung, Standardisierung und Zertifizierung der Nationalen Plattform Elektromobilität (NPE), 2013)
S.55
Einleitungsphase
•Datensammlung
Antragsphase
•Antrag aus der Industrie
•NP = New work item proposal
Vorbereitungs-phase
•WD = Working draft
Komitee-Phase
•Komentierung durch nationale Komitees (12 Monate)
•CD = Committee draft
Abstimmungs-phase
•Abstimmung durch nationale Komitees (5 Monate)
•CDV = Committee Draft for vote
Anerkennungs-phase
•Abstimmung (Ja, Nein, Entahltung) (2 Monate)
•FDIS = Final Draft International Standard
Veröffentlichungs-phase
•Veröffentlichung innerhalb 1-2 Monaten
2.8.1 Systemübersicht - Stan
Plattform Elektromobili
Die NPE sieht in der Normung ei
Aus diesem Grund hat sie eine No
hen aller beteiligten Akteure in B
stellt und koordiniert wird. Es sol
nationalen Belange auf der einen
ren Seite, forciert werden. Die Ro
sichtlichen Zeitplan der Einführun
che, welche Standardisierungsbed
rüst für die Darstellung der Norm
(2014) erweitert wird.
Der Standardisierungsbedarf für
werden (Abbildung 24).
Abbildung 24: Domän
62
(IEC, 2014) 63
(AG4 Normung, Standardisierung u
Ladeinfrastrukturtechnik
•Anschlusstechnik
•Leistungselektronik
•Kommunikations- und Steuerungs
Sicherheit
•Funktionale Sicherheit
•Elektrische Sicherheit
•Datensicherheit
Kommunikation
•Schnittstellen
•Protokolle
Energieflüsse
•Richtung
•Schutzbedingungen
Dienste
•Strommessung
•Abrechnung
Netzintegration
•Lastmanagement
•aktive Rückspeisung
Ergonomie
•Gebrauchstauglichkeit
•Nutzerfreundlichkeit
Standardisierung und Normungs-Roadmap
obilität63
g eine hohe Bedeutung für die Markteinführung
e Normungs-Roadmap erstellt, mit deren Hilfe das
in Bezug auf die Normung und Standardisierung
s soll eine langfristige Strategie entwickelt werden,
inen Seite, und der internationale Zugang der Wirts
ie Roadmap enthält Abschätzungen der Wichtigkeit
hrung der Normen. Sie stellt eine gute Systemübers
sbedarf aufweisen, dar und wird daher in diesem K
Normungsaktivitäten herangezogen, welches um d
für die Ladeinfrastruktur kann in die folgenden
änenübersicht Standardisierungsbedarf für Ladeinfra
ng und Zertifizierung der Nationalen Plattform Elektromo
ungstechnik
37
ap der Nationalen
g der Elektromobilität.
das strategische Vorge-
ng übersichtlich darge-
en, mit deren Hilfe die
irtschaft auf der ande-
keit sowie den voraus-
bersicht über die Berei-
m Kapitel als Grundge-
m den aktuellen Stand
Domänen aufgeteilt
astruktur
omobilität (NPE), 2013)
38
Ladeinfrastrukturtechnik
In die Normen der Ladeinfrastrukturtechnik fallen die Bereiche Anschlusstechnik (Stecker, Kabel,
Ladeart), Leistungselektronik (Gleichrichter, Wechselrichter, Leistungsfaktorkorrektur) sowie Kom-
munikations- und Steuerungstechnik (Hardware). Der bidirektionale Energiefluss muss hierbei bereits
berücksichtigt werden, um die technischen Voraussetzungen für Smart-Grid-Funktionen zu ermögli-
chen.
Sicherheit
Sicherheit ist ein übergreifendes Thema und betrifft alle Systemkomponenten von elektrischer über
bauliche und funktionale bis hin zur Datensicherheit.
Elektrische Sicherheit bedeutet auf der einen Seite den Schutz des Benutzers (z.B. vor Fehlerströ-
men), auf der anderen Seite den Schutz der Infrastruktur (Blitz- und Überspannungsschutz, sicheres
Einrichten und Erweitern der Anlage, elektromagnetische Verträglichkeit). Wie bei jeder anderen
elektrischen Installation müssen Komponenten wie Sicherungen, Unterbrechungen des Stromkreises,
die Erdung etc. einheitlich und verlässlich funktionieren. Ein besonderes Beispiel für den Normungs-
bedarf und eine einheitliche Abstimmung zwischen den Mitgliedsstaaten der EU, ist die Frage ob und
an welcher Stelle ein Einsteckschutz Vorschrift ist. Dies wird von Land zu Land unterschiedlich be-
handelt.64
Auch die Funktion der Ladesäule muss sichergestellt werden (funktionale Sicherheit). Weiter muss
die Sicherheit des Nutzers und der Infrastruktur vor mechanischen Gefährdungen, Brand- und Explo-
sionsgefährdungen sowie thermischen Gefährdungen gewährleistet werden.65 Auch gegen Umwelt-
einflüsse (Wassereintritt, Kälte, Crash, etc.) müssen entsprechende Standards eine Fehlfunktion ver-
hindern oder ein sicheres Trennen vom Netz gewährleisten.
Datensicherheit ist ebenfalls ein wichtiges Thema. Durch die hohe Anzahl an Schnittstellen bieten
sich viele Angriffspunkte, die durch Sicherheitsstandards geschützt werden müssen. Hier kann auf
viele bereits existierende und international anerkannte Normen für sichere Steuerungs- und Tele-
kommunikationssysteme zurückgegriffen werden. Es werden spezielle Normen für die Elektromobili-
tät und die Sicherung der spezifischen Kommunikationsschnittstellen, wie zwischen Ladesäule und
Fahrzeug, benötigt. Weiter erlaubt die Erstellung von Schutzprofilen die Nachprüfbarkeit und Zertifi-
zierung von Produkten unterschiedlicher Hersteller.
64
(CEN, CENELEC, 2011) S.3 65
(Landtag Baden-Württemberg, 2012) S.4
39
Kommunikation
Priorität hat die Normung der Kommunikation zwischen Fahrzeug, Infrastruktur und Netz (Vehicle to
Grid Communication). Für die Kommunikation zwischen Ladestation und Fahrzeug wird von der NPE
die Powerline-Communication favorisiert, da diese auch rückwärtskompatibel zu älteren Systemen
ist. Auf höheren Ebenen werden meist IP- und XML- basierte Technologien eingesetzt.
Die Kommunikationsschnittstelle ist Basis für die Funktion vieler Nutzungsmodelle, wie Smart-Grid-,
Smart-Home- und Smart-Charging-Anwendungen und hat daher einen hohen Stellenwert bei der
Interoperabilität. Zur Kommunikation mit der Ladesäule wird hauptsächlich OCPP (Open Charge Point
Protocol) genutzt. Dieses Protokoll ist ein Simple Object Access Protocol (SOAP), welches den Daten-
austausch verschiedenster Komponenten über das Internet ermöglicht. OCPP ist offen nutzbar und
beschreibt Operationen zur Steuerung der Ladestation (z.B. Autorisierung des Zugriffs, Statusüber-
prüfung, Displayanzeige, Übertragung der geladenen Strommenge).66
Energieflüsse
Zwischen allen Komponenten werden Energieströme ausgetauscht. Von der Erzeugung über die Ver-
teilung in den Haushalt oder zur Ladestation müssen Energieflüsse einheitlich überwachbar und
messbar sein. Gerade in einem Energieversorgungssystem mit dezentraler Erzeugung und Elektro-
fahrzeugen, die als Speicher eingesetzt werden sollen, ist es wichtig, die Richtung der Energieflüsse
zu berücksichtigen. Beim kabelgebundenem Laden konzentrieren sich die Normungsaktivitäten auf
die mechanischen und elektrischen Kennwerte sowie die Signalisierung.
Dienste
Die Messung und Erfassung der Energielieferung beim Laden mit Wechselstrom erfolgt gemäß gel-
tender Vorschriften und eichrechtlicher Anforderungen, die bereits jetzt zur Abrechnung von Strom-
mengen verwendet werden. Bei der Ladung mit Gleichstrom oder induktivem Laden sind jedoch noch
Standardisierungen und Normen für Mess- und Zähltechnik mit Nicht-Netzfrequenz nötig.
Auch die Abrechnung von Infrastrukturdienstleistungen bedarf Vereinheitlichung. Abrechnungsdiens-
te müssen transparent und nachvollziehbar sein, um als Entscheidungsgrundlage für die jeweiligen
Akteure dienen zu können. Als Vorbild könnte der in Deutschland im Vergleich zu anderen Ländern,
stark liberalisierte Strommarkt dienen, in welchem viele Stromlieferanten in einem Netz existieren
und der Kunde zwischen diesen frei wählen kann.
Dienstleistungen im Zusammenhang mit Parkplätzen bedürfen nach bestehenden Gesetzen konfor-
mer Abrechnung. Dieser Bereich hat aktuell Handlungsbedarf und wurde nicht in speziellen Normen
festgelegt.
66
(E-Laad, 2013)
40
Netzintegration
E-Fahrzeuge sind über die Ladeinfrastruktur Teil des Netzes. Sie sind elektrischer Verbraucher oder
aber auch aktive Speicher. Mit Lastmanagement kann eine Regelung in eine Wirkleistungsrichtung,
mit steuerbarer Rückspeisung auch in die entgegengesetzte Richtung bereitgestellt werden. Die Ein-
bindung erfordert Standardisierung zur Steuerung der elektrischen Wirkleistung, Blindleistung und
Netzfrequenz. Analog zum sogenannten 50,2 Hz-Problem bei Photovoltaikanlagen müssen geeignete
Maßnahmen zur Integration in ein Smart-Grid standardisiert werden.
Die Netzspannung im Verteilnetz ist eine lokale Größe und abhängig vom jeweiligen Netzanschluss-
punkt. Daher ist ein systemischer Ansatz (zentral vs. dezentral) zur Einhaltung der Spannungsabwei-
chungen nötig.
Ergonomie
Durch angepasste und standardisierte Ergonomie kann die Gebrauchstauglichkeit und die Nutzer-
freundlichkeit optimiert werden. Gesundheitliche Risiken werden minimiert, Bedienfehler und Irrtü-
mer vermieden und durch die Minimierung kognitiver Belastungen des Nutzers der Ladekomfort
gesteigert. Vereinheitlichung von Formen, Farben und Kennzeichnung vereinfacht das Auffinden der
Ladesäulen.
2.8.2 Normungsaktivitäten in Deutschland
Abbildung 25 zeigt schematisch die Zusammenhänge der deutschen Organisationen zur Normung im
Bereich Elektromobilität. Da hier viele Systemkomponenten fachübergreifend zusammenspielen, sind
dementsprechend mehrere Normungsinstitutionen beteiligt.
In Deutschland ist das Deutsche Institut für Normung (DIN) für die Erarbeitung von Normen verant-
wortlich. Die deutsche Kommission für Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnologie (DKE)
ist eine Abteilung des DIN.67 Der Normungsausschuss Automobil (NA-Automobil), ebenfalls Teil des
DIN, vertritt die nationalen, regionalen und internationalen Normungsinteressen des Kraftfahrzeug-
wesens.68 Zur Koordinierung wurde ein Lenkungskreis EMOBILITY zwischen DKE und dem NA-
Automobil eingerichtet.69 Ziele des Lenkungskreises sind die Förderung von Entwicklungen, das Steu-
ern und Koordinieren der verschiedenen Normungs- und Standardisierungsprojekte auf nationaler,
67
(DIN, 2014) 68
(NA-Automobil, 2014) 69
(AG4 Normung, Standardisierung und Zertifizierung der Nationalen Plattform Elektromobilität (NPE), 2013)
S.17
41
europäischer und internationaler Ebene sowie der kontinuierliche Informationsfluss in der Gemein-
schaft.70
Abbildung 25: Nationale Abstimmung bei der Normung und Standardisierung zur Elektromobilität71
Arbeit von DIN und DKE
Die DKE hat zu den verschiedenen Systemkomponenten eine Vielzahl von Gremien und Arbeitskrei-
sen eingerichtet, die mit der Entwicklung der Normen beauftragt sind.
Abbildung 26: Gremien bei DIN, NA Automobil und DKE72
70
(DKE, 2013) 71
(AG4 Normung, Standardisierung und Zertifizierung der Nationalen Plattform Elektromobilität (NPE), 2013)
S.18
42
Abbildung 26 und Tabelle 10 zeigen einen Überblick über die Gremien und deren Themenschwer-
punkte. Sie verdeutlichen die Vielschichtigkeit der Normung. Für den Bereich der Ladeinfrastruktur
sind die folgenden Gremien beteiligt:
Tabelle 10: Beteiligte Gremien in DIN und DKE72
Bezeichnung Einsatzgebiet
DKE
DKE/AK 353.0.5 Risikoanalyse zur funktionalen Sicherheit der Ladung von Elektrofahrzeugen
DKE/AK 353.0.6 EMV bei der Energieversorgung von Elektrofahrzeugen
DKE/AK 353.0.7 Batteriewechselsysteme
DKE/AK 353.0.8 Nutzerautorisierung für Ladeinfrastruktur
DKE/GAK 431.1.7 Verteiler für den temporären Anschluss von Verbrauchern (GAK innerhalb der DKE)
DKE/AK 221.1.11 Systembetrachtung zum Anschluss von Elektrofahrzeugen (Schutz gegen elektri-
schen Schlag)
DKE/AK 116 Graphische Symbole für die Mensch-Maschine-Interaktion;
Sicherheitskennzeichnung
DKE/AK 952.0.15 Informationssicherheit in der Netz- und Stationsleittechnik
DKE/STD 1911.11.5 Smart Charging
Gemeinsame Gremien von DKE und NA Automobil
DKE/GAK 353.0.1 Berührungsloses Laden von Elektrofahrzeugen
DKE/GAK 353.0.2 DC-Ladung von Elektrofahrzeugen
DKE/GAK 353.0.4 AC-Laden von Elektrofahrzeugen
DKE/GAK 353.0.9 Energieversorgung von elektrischen Leichtfahrzeugen
DKE/GAK 542.4.1 Steckvorrichtung zur leitungsgebundenen Netzanbindung von Fahrzeugen
DKE/GAK 542.4.3 DC Steckvorrichtungen zur leitungsgebundenen Netzanbindung von Fahrzeugen
NA 052-01-21-01 GAK Elektrische Sicherheit und Netzschnittstelle
NA 052-01-03-17 GAK Kommunikationsschnittstelle vom Fahrzeug zum Stromnetz (VSG CI)
2.8.3 Normungsaktivitäten in der Europäischen Union
Auch auf europäischer Ebene wird an der Standardisierung der Ladung von Elektrofahrzeugen zu-
sammengearbeitet. Mit dem Mandat M/46873 vom Juni 2010 wurde diese Aufgabe von der Europäi-
schen Kommission an die Institutionen CEN (European Committee for Standardization), CENELEC
(European Committee for Electrotechnical Standardization) und ETSI (European Telecommunications
Standards Institute) übertragen. Vorhandene Normen sollen überarbeitet und neue europäische
Normen erarbeitet werden. Die Aufgaben sind:
- Interoperabilität und Konnektivität zwischen Elektrizitätsversorgung und dem Ladesystem
des Elektrofahrzeug in allen EU-Staaten (sowohl on-board als auch off-board Systeme)
- Berücksichtigung der Möglichkeit von Smart-Charging
72
(DKE, 2013) 73
(Europäische Kommission, 2010)
43
- Berücksichtigung von Sicherheitsrisiken und elektromagnetischer Verträglichkeit des Lade-
systems im Einklang mit den Richtlinien 2006/95/EC (Niederspannungsrichtlinie) und
2004/108/EC (Elektromagnetische Verträglichkeit)
Arbeit von CEN, CENELEC, ETSI
Die drei Institutionen CEN, CENELEC und ETSI hängen auf europäischer Ebene ähnlich zusammen wie
das DIN und DKE auf nationaler Ebene. Die drei Organisationen sind durch die EU-Verordnung zur
Normung (1025/2012) anerkannte, unabhängige Stellen für die Verabschiedung und Veröffentli-
chung Europäischer Normen.74 Mitglieder im CEN und CENELC sind alle entsprechenden nationalen
Normungsorganisationen der EU-Mitgliedsstaaten. Um die sich bei der Elektromobilität überschnei-
denden Themen zu koordinieren, wurde auch auf europäischer Ebene eine Koordinationsgruppe
eingerichtet. Diese hat die Aufgabe, die Aktivitäten in der Weise zu lenken, dass auftretende Proble-
me von den jeweiligen Stellen einheitlich behandelt werden. Die Aufgaben von CEN und CENELC sind
auf verschiedene Arbeitsgruppen, sogenannte Technical Committees, aufgeteilt. Die wichtigsten Ar-
beitsgruppen für die Normung von Elektromobilität und Ladeinfrastruktur sind:
Tabelle 11: Beteiligte Gremien in CEN, CENELEC und ETSI
Bezeichnung Einsatzgebiet
CEN
CEN/TC 301 Road vehicles (Straßenfahrzeuge)
CENELEC
CLC/TC 13 Metering equipment (Messkomponenten)
CLC/TC 17D Electric equipment (low-voltage switchgear and control gear assemblies)
(Elektrische Komponenten – Niederspannungsschalter und Steuerungsgruppen)
CLC/TC 20 Electric cables
(Elektrische Kabel)
CLC/TC 21 Secondary cells and batteries
(Sekundärzellen und Batterien)
CLC/TC 23BX Socket-outlet, connector configuration
(Stecker, Verbindungskonfigurationen)
CLC/TC 23E Protection elements (circuit breakers)
(Sicherheitseinrichtung, Stromkreisunterbrechung)
CLC/TC 57 Smart-Grid
CLC/TC 64 Electrical installations and protection against electric shock
(Elektrische Einrichtung und Schutz vor elektrischem Schlag)
CLC/TC 69X Electrical systems for electric road vehicles
(Elektrische Systeme für elektrische Straßenfahrzeuge)
CLC/TC 210 Electromagnetic Compability EMC
(Elektromagnetische Verträglichkeit EMV)
74
(CEN, CENELEC, 2012) S.6 ff.
44
2.8.4 Internationale Normungsaktivitäten
Elektromobilität eröffnet einen internationalen Markt. Speziell Japan, USA und China sind Leitmärkte.
Daher ist es sinnvoll, Europa nicht isoliert zu betrachten, sondern in Abstimmung mit anderen inter-
nationalen Bestrebungen zu handeln. Wie auch auf nationaler und europäischer Ebene, werden die
Normungsaktivitäten international auf drei Organisationen aufgeteilt: International Organization for
Standardization (ISO), International Electrotechnical Commission (IEC) und International
Telecommunication Union (ITU). Mitglieder der Organisationen sind ebenfalls alle nationalen Nor-
mungsinstitute.
Arbeit von ISO, IEC, ITU
In einem Memorandum of Understanding (MoU) wurde die enge Zusammenarbeit zwischen den
Organisationen ISO und IEC geregelt.75 Das MoU regelt die Aufgabenverteilung zwischen den Institu-
tionen. Dem IEC werden dabei die Aufgaben der Elektrotechnik und Elektronik und dem ISO alle wei-
teren Fälle zugewiesen. Tabelle 12 zeigt die internationalen Arbeitsgruppen von ISO und IEC sowie
deren Normungsbereiche.
Tabelle 12: Beteiligte Gremien in ISO, IEC und ITU
Bezeichnung Einsatzgebiet
ISO
TC22/SC 03 Road vehicles – Electrical and electronic equipment
(Straßenfahrzeuge – Elektrische und elektronische Komponenten)
TC22/SC 21 Road vehicles – Electrically propelled road vehicles
(Straßenfahrzeuge – Elektrisch angetriebene Straßenfahrzeuge)
IEC
TC69 Electric road vehicles and electric industrial trucks
(Elektrische Straßenfahrzeuge und elektrische Nutzfahrzeuge)
TC21 und SC21A Secondary cells and batteries
(Sekundärzellen und Batterien)
TC23 und SC23H Electrical accessories, Industrial plugs and socket outlets
(Elektrische Ausstattung, Industriestecker)
TC 57 Power Systems - Management and associated information exchange
(Elektrizitätssysteme – Management und Informationsaustausch)
TC 64 Electrical installations and protection against electric shock
(Elektrische Installationen und Schutz gegen elektrischen Schlag)
75
(ISO, IEC, 2011)
45
2.8.5 Übersicht über Normen
Dieses Kapitel gibt einen Überblick über die aktuell wichtigsten Normen für Ladeinfrastruktur. Tabelle
13 zeigt im Anschluss eine Übersicht über die Normen, die die Ladeinfrastruktur betreffen.
Da sich die meisten nationalen Normen aus den Mitgliedsstaaten der EU mit den IEC- und ISO-
Normen überschneiden oder übernommen wurden, sind hier hauptsächlich die IEC- oder ISO- Be-
zeichnungen aufgeführt.
Ladeinfrastrukturtechnik
Für kabelgebundenes Laden ist hauptsächlich die IEC 61851-Normengruppe zuständig. Sie bezieht
sich sowohl auf das Fahrzeug, als auch auf die Infrastruktur. Für induktives Laden gilt die IEC 61980
Weiter beschreibt die IEC 61439 und IEC 60309 Stecker und Verbindungen für die Übertragung von
elektrischer Leistung. Stecker für explizite Verwendung für Elektrofahrzeuge werden in der IEC 62196
beschrieben.
Sicherheit
Der Bereich der EMV wird maßgeblich durch die Richtlinie 2004/104/EC der Europäischen Union ge-
regelt. In Teil 21 der IEC 61851 wird ebenfalls die EMV für Elektrofahrzeuge geregelt. EN 61140 regelt
die Sicherung gegen elektrischen Schlag. Schutzmaßnahmen durch die Verwendung von Gehäusen
werden durch die IEC 60529 beschrieben.
Kommunikation
Die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladepunkt geschieht über das Ladekabel. Dadurch erhält
sie ebenfalls Einzug in die IEC 61851-Normenreihe. Die Kommunikation beim Mode-4-Laden wird
speziell in Teil 24 beschrieben. Weiterführende Kommunikation in Smart-Grid und Smart-Charging-
Konzepten werden wiederum in der ISO/IEC 15118 und IEC 61850 beschrieben.
Die Übertragung der Daten aus dem Fahrzeug heraus ist ebenfalls Thema in der ISO 15118, die noch
nicht endgültig verabschiedet ist, da sich die Automobilhersteller hierbei weder auf der physikali-
schen noch auf der logischen Ebene auf Systeme einigen konnten. Welche Daten das Fahrzeug an die
Ladeinfrastruktur übermittelt, ist Entscheidung des Herstellers (z.B. EVSEID, EMAID, Ladezustand der
Batterie etc.). Die Übermittlung der Fahrzeugdaten an die Ladesäule erfolgt dann über OCPP.
Energieflüsse
Die Definitionen der Energieflüsse sind ebenfalls vor allem in der IEC 62196 und 61851 berücksich-
tigt. Induktives Laden wird in der IEC 61980 behandelt.
46
Netzintegration
Das ordnungsgemäße Funktionieren der am Netz angeschlossenen Komponenten erfordert die Ein-
haltung des vom Netzbetreiber garantierten Spannungs- und Frequenzbandes. Der Normenentwurf
ISO 15118 berücksichtigt die Steuerung der Wirkleistung. Nicht berücksichtigt sind bisher die Steue-
rung der Blindleistung und Maßnahmen zur Frequenzhaltung.
Für das Last- und Speichermanagement sowie die Übermittlung von dynamischen Preisinformationen
werden in den Normen IEC 61850, IEC 61968 und IEC 61970 grundlegende Mechanismen definiert.76
Ergonomie
Ansätze für die einheitliche Gestaltung von Ladeinfrastruktur bieten die Normen ISO 7000 und die
DIN SPEC 33440. In der ISO 7000 werden einheitliche Symbole angegeben, welche es ermöglichen,
länderübergreifend einheitliche graphische Kennzeichnungen, Hinweise oder Erläuterungen zu be-
nutzen. Die Symbole sind nicht speziell für Elektromobilitätsanwendungen erstellt, können hierbei
jedoch nützlich sein. Die DIN SPEC 33440 bietet Handlungshilfen für die Gestaltung von technischen
Einrichtungen und Produkten unter Berücksichtigung der Bedürfnisse und Eigenheiten der Benutzer.
Sie beschreibt grundlegende ergonomische Aspekte und Prinzipien der Mensch-System-Interaktion,
die bei der Nutzung und Anwendung von technischen Produkten und Dienstleistungen im Nutzungs-
konzept Smart-Grid und Elektromobilität relevant sein können. Dabei werden grundlegende ergono-
mische Ziele und Prinzipien erläutert, deren Anwendung auf die Benutzungsschnittstelle sowie Hin-
weise zur Entwicklung von Produkten und Dienstleistungen gegeben.77
76
(AG4 Normung, Standardisierung und Zertifizierung der Nationalen Plattform Elektromobilität (NPE), 2013)
S.31 77
(Normenausschuss Ergonomie (NAErg) im DIN, 2013) S.4 ff.
47
Tabelle 13: Normen Ladeinfrastruktur
Code Bezeichnung Stand Autor Herausgeber Bearbeitungsstand
Ladeinfrastrukturtechnik
IEC 60309-2
Plugs, socket-outlets and couplers for industrial purposes - Part 2:
Dimensional interchangeability requirements for pin and contact-
tube accessories
01.05.2012 IEC/SC 23H IEC International
Standard
IEC 61439-1 Low-voltage switchgear and control gear assemblies - Part 1:
General rules 01.08.2011 IEC/SC 17D IEC
International
Standard
IEC 61439-7
IEC 61439-7, Ed. 1: Low-voltage switchgear and control gear
assemblies - Part 7: Assemblies for specific applications such as
marinas, camping sites, market squares, electric vehicles charging
stations
01.02.2013 IEC/SC 17D IEC Final Draft IEC
17D/478/FDIS
IEC 61851-1 Electric vehicle conductive charging system - Part 1: General
requirements (IEC 69/219/CD:2012) 01.06.2013 IEC/TC 69 IEC
Committee draft
69/250/CD
IEC 61851-21-1
IEC 61851-21-1, Ed. 1: Electric vehicle conductive charging systems
- Part 21-1: Electric vehicle onboard charger EMC requirements for
conductive connection to an a.c./d.c. supply
01.11.2013 IEC/TC 69 IEC Committee draft
69/266B/CD
IEC 61851-21-2
IEC 61851-21-2, Ed. 1: Electric vehicle conductive charging system
- Part 21-2: EMC requirements for OFF board electric vehicle
charging systems
01.05.2013 IEC/TC 69 IEC Committee draft
69/245/CD
IEC 61851-22 IEC 61851-22: Electric vehicle conductive charging system - Part
22: A.C. electric vehicle charging station 21.10.2011 IEC/TC 69 IEC
Committee draft
69/201/CD
IEC 61851-23 IEC 61851-23, Ed. 1: Electric vehicle conductive charging system -
Part 23: D.C electric vehicle charging station 01.11.2013 IEC/TC 69 IEC
Final Draft IEC
96/272/FDIS
IEC 61851-24
IEC 61851-24, Ed. 1: Electric vehicle conductive charging system -
Part 24: Digital communication between a dc EV charging station
and an electric vehicle for control of d.c. charging
01.11.2013 IEC/TC 69 IEC Final Draft IEC
69/273/FDIS
IEC 61980-1 IEC 61980-1, Ed. 1: Electric vehicle wireless power transfer sys-
tems (WPT) - Part 1: General requirements 01.11.2013 IEC/TC 69 IEC
Committee draft
for voting
69/256/CDV
IEC 62196-1
IEC 62196-1, Ed. 3: Plugs, socket-outlets, vehicle connectors and
vehicle inlets - Conductive charging of electric vehicles - Part 1:
General requirements
01.08.2013 IEC/SC 23H IEC
Committee draft
for voting
23H/296/CDV
IEC 62196-2
Plugs, socket-outlets, vehicle connectors and vehicle inlets -
Conductive charging of electric vehicles - Part 2: Dimensional
compatibility and interchangeability requirements for a.c. pin and
contact-tube accessories
01.10.2011 IEC/SC 23H IEC International
Standard
IEC 62196-3
IEC 62196-3, Ed. 1: Plugs, socket-outlets and vehicle couplers -
Conductive charging of electric vehicles - Part 3: Dimensional
compatibility and interchangeability requirements for d.c. and
a.c./d.c. pin and tube-type contact vehicle couplers
01.01.2013 IEC/SC 23H IEC
Committee draft
for voting
23H/292/CDV
IEC 62840 IEC 62840 Ed. 1: Electric vehicle battery swap system 01.09.2012 IEC/TC 69 IEC
New work
proposal
69/217/NP
Sicherheit
IEC 61140 IEC 61140: Protection against electric shock - Common aspects for
installation and equipment
01.11.2012
IEC/TC 64
IEC
Committee draft
64/1869/CD
IEC 60529 Degrees of protection provided by enclosures (IP code) 01.08.2013
IEC/TC 70
IEC
International
Standard
IEC 60364-7-722 Requirements for special installations or locations – Supply of
electric vehicles
01.10.2012
IEC/TC 64
IEC
Committee draft
for voting
64/1846/CDV
IEC 17409 ISO/IEC 17409: Electrically propelled road vehicles - Connection to
an external electric power supply - Safety requirements
01.09.2013
IEC/TC 69 IEC
Committee draft
for voting
69/263/CDV
IEC 61508-1 Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic
safety-related systems - Part 1: General requirements 01.04.2010 IEC/SC 65A IEC
International
Standard
ISO 62752 In-Cable Control and Protection Device for mode 2 charging of
electric road vehicles (IC-CPD) 01.12.2013 ISO/TC 22 ISO
Draft international
standard DIS
62752
48
IEC 61000-6
Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 6-1: Generic standards
- Immunity for residential, commercial and light-industrial envi-
ronments
01.03.2005 IEC/TC 77 IEC International
Standard
Kommunikation
ISO 15118-1 Road vehicles - Vehicle to grid communication interface - Part 1:
General information and use-case definition 06.06.2013 ISO/TC 22 ISO
International
Standard
ISO 15118-2 Road vehicles - Vehicle-to-Grid Communication Interface - Part 2:
Network and application protocol requirements 01.11.2013 ISO/TC 22 ISO
Final draft inter-
national standard
FDIS 15118
ISO 15118-3 Road vehicles - Vehicle to grid Communication Interface - Part 3:
Physical and data link layer requirements 01.11.2012 ISO/TC 22 ISO
Draft international
standard DIS
15118-3
IEC 61850-1 Communication networks and systems for power utility automa-
tion - Part 1: Introduction and overview 01.03.2013 IEC/TC 57 IEC
Energieflüsse
IEC 61851 s.o
IEC 61980 s.o
IEC 62196 s.o
Netzintegration
IEC 15118 s.o.
IEC 61850 s.o.
IEC 61968 Application integration at electric utilities - System interfaces for
distribution management 01.10.2012 IEC/TC 57 IEC
International
Standard
IEC 61970 Energy management system application program interface 01.12.2005 IEC/TC 57 IEC International
Standard
Ergonomie
ISO 7000 Graphical symbols for use on equipment 01.01.2014 ISO/TC 145 ISO International
Standard
DIN SPEC 33440 Ergonomic design of user-interface and products for Smart Grid
and Electromobility 01.05.2013 NAErg DIN DIN Spezifikation
49
3 Ladeinfrastruktur in der EU
Im folgenden Kapitel wird der Stand des Aufbaus der europaweiten Ladeinfrastruktur aufgezeigt so-
wie die Bestrebungen der EU dargestellt, den Ladeinfrastrukturausbau voranzutreiben. Es werden
ebenfalls die Unterschiede der Netzstruktur in den EU-Mitgliedsstaaten dargestellt, wodurch Schlüs-
se auf ein einheitliches Konzept gezogen werden. Zuletzt werden bestehende Beispielprojekte aufge-
zeigt, welche die grenzübergreifende Interoperabilität vorantreiben.
3.1 Ausbaustand
Obwohl die Voraussetzungen für das Laden von Elektrofahrzeugen durch das Stromnetz bereits ge-
geben sind, geht die Entwicklung beim Ausbau der Ladepunkte nur langsam voran. Die bisherige
Entwicklung in der EU war von der Unsicherheit darüber geprägt welches System sich durchsetzt.
Dies führte dazu, dass die Mitgliedsstaaten inkompatible Systeme forcierten oder gar nicht investier-
ten, um eine Entscheidung abzuwarten.78
Abbildung 27: Verteilung der Ladepunkte pro 1 Mio. Einwohner79
78
(Europäische Kommission, 2013) S.11 f. 79
(Eurelectric, 2011) S.9
50
Es gibt aktuell keine exakte Übersicht über die Anzahl in der EU installierter Ladepunkte. Die meisten
Zahlen (auch die in EU-Berichten) beruhen auf Eintragungen in Online-Ladekarten. Dabei ist oft nicht
zu unterscheiden, ob Ladepunkte oder Ladestationen, welche mehrere Ladepunkte bereitstellen,
aufgelistet sind. Entsprechend variieren die Zahlen stark und können lediglich als Schätzwert dienen.
Die Zahl der zweckgebundenen Ladepunkte wurde in einem Bericht der Europäischen Kommission
auf 26.080 private und 29.800 öffentlich zugängliche AC-Ladepunkte beziffert. In (Eurelectric, 2011)
werden 25.000 Ladepunkte für Europa genannt (dazu auch Abbildung 27). In einem Bericht über die
Auswirkung der Richtlinie für alternative Kraftstoffe (siehe dazu auch Kapitel 3.2), werden 9.276 La-
destationen genannt. Tabelle 14 zeigt einen Schätzwert über den aktuellen Stand der Ladeinfrastruk-
tur in der EU. Dieser ist aus Online-Ladekarten sowie dem Bericht der EU-Kommission ermittelt.
Neben privaten Ladepunkten und Ladestationen von Energieversorgern, Unternehmen oder Kom-
munen, gibt es einige Projekte, deren Ziel es ist, eine Schnellladeinfrastruktur aufzubauen.
SLAM – Schnellladenetz für Achsen und Metropolen
Das (deutsche) Projekt SLAM ist ein Zusammenschluss aus Automobilherstellern (BMW, Daimler,
Porsche, VW), EVUs (EnBW) und Forschungsinstituten (Fraunhofer IAO, IAT Universität Stuttgart,
RWTH Aachen), um deutschlandweit eine Infrastruktur an Schnellladestationen aufzubauen. Bis 2017
sollen insgesamt 400 Schnellladestationen (sowohl AC als auch DC) entlang der Autobahnen und in
Metropolen errichtet werden. Die Stationen nutzen den Combo-2 Stecker und ermöglichen Ladezei-
ten von 30 Minuten.80 In Österreich wird an einem ähnlichen Konzept gearbeitet. Das Projekt ELLA
errichtet Schnellladestationen entlang von Autobahnen. Diese stellen sowohl den Combo-2 als auch
den Chademo-Stecker bereit. Bisher wurden zwei Stationen eröffnet.81
Tesla – Supercharger82
Der Elektrofahrzeughersteller Tesla, arbeitet daran ein weltweites Schnelladenetz aufzubauen. Zur-
zeit besteht das Netz in Europa aus 17 Ladestationen: zwei in Österreich, sechs in Deutschland, zwei
in den Niederlanden, eine in der Schweiz und sechs in Norwegen. Bis Ende 2014 sollen alle Haupt-
städte von Portugal über Frankreich, Großbritannien, den BeNeLux-Ländern, Österreich, Deutsch-
land, Schweiz bis hin nach Skandinavien (Dänemark, Norwegen, Schweden) durch das Netz verbun-
den sein. Tesla-Kunden wird damit ein kostenloser Ladeservice angeboten, der den Akku des Model S
in 40 Minuten auf 80% lädt und in 75 Minuten voll lädt. Die Ladestationen haben zwischen zwei und
zehn Ladepunkte. Tesla verwendet einen eigenen Stecker. Somit können nur Tesla-Kunden diese
Stationen nutzen. Teilweise haben die Stationen auch einen Typ-2 Anschluss für die Wechselstromla-
dung, jedoch sind diese nicht die Regel und nicht unbedingt für das Schnellladen ausgelegt.
80
(Fraunhofer IAO, 2014) 81
(ella.at) 82
(Tesla Motors Inc., 2014)
51
Chademo-Schnelladenetz
Die Chademo-Association arbeitet ebenfalls daran ein Schnelladenetz in Europa aufzubauen. Derzeit
gibt es ca. 1.120 Ladestationen in Europa, bis Ende 2014 sollen es 1.800 werden.83 Vor allem japani-
sche Fahrzeuge nutzen diesen Schnellladestecker.
Tabelle 14: Stand der Ladeinfrastruktur in der EU
Land Geschätzte Anzahl vorhandener Lademög-lichkeiten aus Online-Ladepunktkarten
84
Anzahl vorhandener Lademög-lichkeiten aus EU-Bericht (2013)
85
Belgien 441 188
Bulgarien 20 1
Dänemark 273 280
Deutschland 2.043 1.937
Estland 151 2
Finnland 55 1
Frankreich 2.704 236
Griechenland 9 -
Irland 170 640
Italien 532 1.000
Kroatien 3 -
Lettland - 1
Litauen - -
Luxemburg 41 7
Malta 1 -
Niederlande 4.633 1.700
Norwegen 1.263 -
Österreich 468 489
Polen 43 27
Portugal 462 1.300
Rumänien - -
Schweden 383 -
Schweiz 1.008 -
Slowakei 11 3
Slowenien 9 -
Spanien 429 731
Tschechien 14 23
Ungarn 15 7
Vereinigtes Königreich 1.537 703
Zypern - -
Gesamt 16.718 9.276
83
(Chademo Association, 2014) 84
Ermittelt aus den Ladekarten: openchargemap.org; plugsurfing.co.uk; lemnet.org; chargemap.com 85
(Europäische Kommission, 2013) S.23
52
3.2 Ausbauziele
Die Europäische Kommission hat im Januar 2013 einen Vorschlag für eine „Richtlinie über den Aufbau
der Infrastruktur für alternative Kraftstoffe“ veröffentlicht. Ziel der Richtlinie ist es, einen gemeinsa-
men Rahmen für Maßnahmen, zur Errichtung einer Infrastruktur für alternative Kraftstoffe in der EU
zu schaffen. Hierdurch soll zum einen der Verkehrssektor unabhängiger vom Erdöl, zum anderen
seine Umweltauswirkungen vermindert werden. Im ersten Vorschlag wurden konkrete Zahlen für
den Bedarf an Ladepunkten genannt. Hierbei sollten mindestens zwei Ladepunkte auf ein Elektro-
fahrzeug kommen, wobei 10% der Infrastruktur öffentliche Ladesäulen sein sollten.86 Die Zahlen ba-
sieren auf bestehenden Ausbauzielen der Mitgliedsstaaten. Hierdurch soll eine kritische Masse an
Ladepunkten aufgebaut werden, um Investitionsanreize zu schaffen.
In einer Abstimmung über die Richtlinie (Erste Lesung im April 2014) im Europäischen Rat und dem
Parlament wurde jedoch die Verantwortung, die Anzahl der Elektrofahrzeuge und Ladepunkte festzu-
legen, an die Mitgliedsstaaten weitergegeben, um mehr Flexibilität bei der Einbettung der Ziele in die
nationale Politik zu gewährleisten.87 Eine angemessene Anzahl sei demnach mindestens ein Lade-
punkt auf zehn Elektrofahrzeuge.
Im Rahmen der Richtlinie werden die Mitgliedsstaaten dazu verpflichtet, ein nationales Rahmenpro-
gramm für die Marktentwicklung alternativer Kraftstoffe aufzustellen. Bis 2020 muss eine genügende
Anzahl an Ladepunkten zur Verfügung stehen, um mindestens in Ballungszentren öffentliche Ladeinf-
rastruktur bereit zu stellen. Die Europäische Kommission ist dabei die kontrollierende Instanz. Weiter
werden in der Richtlinie technische Standards festgelegt. Für das Normalladen mit Wechselstrom
wird der Typ-2 Stecker vorgeschrieben, für Schnelladen mit Wechselstrom ebenfalls Typ-2 Stecker
und für Schnellladen mit Gleichstrom der Combo-2 Stecker. Zukünftige Technologien, wie das induk-
tive Laden, aber auch Batteriewechselstationen werden in den nationalen Rahmenprogrammen ex-
plizit nicht ausgeschlossen, um keine technologische Sackgasse zu forcieren. Der bereits vorange-
schrittene Ausbau der Chademo Stecker wird durch die Richtlinie nicht gestoppt88, da die bereits
vorhandene Schnellladeinfrastruktur ohne Nachrüstung oder Übergangszeiten weiter betrieben wer-
den kann. Vorgeschrieben wird lediglich, dass in neuen Schnellladesäulen mindestens ein DC-
Schnelladestecker als Combo-2 Stecker ausgeführt sein muss. Öffentliche Ladepunkte sollen, wenn es
technisch und wirtschaftlich darstellbar ist, mit intelligenten Stromzählern ausgerüstet sein und vor
allem an Transportknotenpunkten wie Bahnhöfen und Flughäfen ausgebaut werden.
Der Markt für den bezogenen Strom ist explizit liberal. Der Ladepunktbetreiber hat die Möglichkeit
den Strom jedes EU-Energieversorgers zu beziehen. Dies gilt speziell auch dann, wenn der Haushalt
86
(Europäische Kommission, 2013) S.13 87
(Council of the European Union, 2013) 88
(Chademo Association Europe, 2014)
53
oder das Gebäude, in dem die Ladestation steht, bereits einen anderen Anbieter hat. Weiter soll an
allen öffentlichen Ladepunkten ein ad-hoc-Laden möglich sein, ohne einen zusätzlichen Vertrag mit
dem betreffenden Stromanbieter oder Ladepunktbetreiber abschließen zu müssen. Preise müssen
transparent, einfach und klar vergleichbar sowie nicht-diskriminierend für den Verbraucher sein.
Nicht-diskriminierend muss auch der Zugang zur Ladeinfrastruktur für jeden Nutzer sein. Die Mit-
gliedsstaaten haben meist zwei Jahre Zeit die Inhalte der EU-Richtlinien in innerstaatliches Recht
umzusetzen. Die Richtlinie ist für jeden Mitgliedsstaat, an den sie gerichtet wird, hinsichtlich des zu
erreichenden Ziels verbindlich, überlässt jedoch den innerstaatlichen Stellen die Wahl der Form und
der Mittel (Art 288 Lissabon Vertrag).
Einige Mitgliedsstaaten haben bereits konkrete Ausbauziele festgelegt (Tabelle 15). Alle weiteren
Länder müssen bis spätestens 2018 eine Zahl in den nationalen Entwicklungsplänen festlegen.
Tabelle 15: EU-Mitgliedsstaaten mit geplanten Ausbauzielen für Ladepunkte
Land Festgelegt bis 202089
Belgien Öffentlich 35.000 - 130.000
Öffentliche Schnellladepunkte 1.000 - 4.000
Dänemark Öffentlich 20.000
Frankreich Privat 4.000.000
Öffentlich 400.000
Griechenland Öffentlich 6.900
Irland Öffentlich 25.000
Malta Öffentlich 50090
Österreich 4.500 (halb öffentlich)
Portugal Öffentlich 25.000
Vereinigtes Königreich 8.500
Der Ausbau der Ladeinfrastruktur wird oft mit dem historischen Verlauf des Ausbaus an normalen
Tankstellen oder Telefonzellen verglichen. Hierbei wird angenommen, dass der Ausbau der Ladesta-
tionen nicht durchgehend proportional zur Anzahl an Elektrofahrzeugen steigt. In den zwei Analogien
(Tankstellenmarkt, Telefonzellenmarkt) ergab sich ab einem bestimmten Punkt ein Sättigungszu-
stand, der einem Mindestniveau entspricht.91 Es ist anzunehmen, dass in einem Massenmarkt die
steigende Auslastung der Ladepunkte (mehr Ladevorgänge pro Ladepunkt), die Entwicklungen der
Batterietechnologien (längere Ladevorgänge pro Ladepunkt) und die zunehmende Verbreitung von
Schnelladesystemen (mehr Kunden pro Zeitintervall) den proportional steigenden Ausbau bremsen
werden.
89
(Europäische Kommission, 2013) S.23 90
(Malta National Electromobility Platform, 2013) S.61 91
(AG3 Ladeinfrastruktur und Netzintegration der Nationalen Plattform Elektromobilität (NPE), 2012) S.6
In (Frost & Sullivan, 2013) wird
2019 getroffen. Dieses Szenario s
voraus (1.461 induktiv, 2.057 Mo
mistisch einzuschätzen. Basis der
entsprechend des Szenarios in E
31.980 Mode4/DC, 952.829 Mode
Wechselstromleistungen würde d
Vorhersage von 2011 bis 2019.
Abbildung 28: Entw
3.3 Netzvoraussetzungen
Die Infrastruktur für Strom als alt
sche Versorgungsnetz für die Erze
rizität, speziell das europäische V
romobilität. 98-99% aller europäis
3.3.1 Das CIGRE-Referenznetz
Der größte Teil der Elektrofahrze
Speisung in der Ortsnetzstation b
sen. Dieser Bereich wird daher im
92
Nach (Frost & Sullivan, 2013) S.4193
(Eurelectric, 2011)
eine Vorhersage für den Ausbau der Ladeinfrastr
rio sagt für Ende 2014 eine Anzahl von insgesamt 5
Mode 4/DC, 11.970 Mode 3, 38.963 Mode 2) und
der Ergebnisse ist eine ausführliche Marktanalyse
in Europa über 3 Mio. Ladepunkte installiert sein
ode3, 2.032.701 Mode2). Das Laden im privaten B
de dabei die größte Rolle spielen. Abbildung 28 ze
Entwicklung der Ladepunkte bis 2019 nach Frost&Sulliva
ngen im europäischen Vergleich
s alternativen Kraftstoff ist theoretisch bereits vorha
Erzeugung, Übertragung, Verteilung und Kommerzia
e Verteilnetz, bietet die Grundlage für die Ladeinfr
päischen Netznutzer sind an das Verteilnetz angesch
znetz
hrzeuge wird innerhalb des Bereichs von der mitte
n bis zum Hausanschluss als Verknüpfung zum Netz
r im Folgenden genauer betrachtet.
.41
54
rastruktur in Europa bis
t 54.451 Ladepunkten
nd ist damit eher opti-
lyse. Bis 2019 könnten
sein (127.044 induktiv,
n Bereich mit geringen
zeigt den Verlauf der
llivan92
orhanden. Das europäi-
erzialisierung von Elekt-
infrastruktur der Elekt-
eschlossen.93
ittelspannungsseitigen
Netznutzer angeschlos-
55
Verteilnetztopologien sind sehr unterschiedlich, da neben den elektrotechnischen Vorgaben eben-
falls das betrachtete Siedlungsgebiet eine wichtige Rolle spielt. Anhand der verschiedenen Siedlungs-
typen lassen sich auch unterschiedliche Verteilnetztypen definieren, so z.B. Streusiedlungen, Zwei-
familienhaussiedlungen, Reihenhaussiedlungen, Hochhäuser, Blockbebauung etc.. Dabei gibt es ver-
schiedene Netzformen (Abbildung 29). Ringnetze besitzen gegenüber Strahlennetzen eine höhere
Eigensicherheit. Hängen an einem Verteilschrank mehrere Ringnetze, spricht man von einem ver-
zweigten Ring. Wird so ein verzweigter Ring auch von mehreren Transformatoren gespeist, spricht
man von einem Maschennetz. Diese ermöglichen eine größere Versorgungssicherheit (n-1-Kriterium)
und bessere Spannungshaltung, zeichnen sich jedoch auch durch höhere Kosten, höheren Planungs-
aufwand und schwierige Fehlersuche aus. Maschennetze werden bei Lastdichten größer 5 MVA/km²
gewählt. Es werden im Niederspannungsnetz hauptsächlich Kabelleitungen benutzt.94
Abbildung 29: Netzvarianten der Niederspannungsebene95
Von der CIGRE (International Council on Large Electric Systems) wurde ein Modellnetz entwickelt, das
die gemeinsamen Eigenschaften der realen EU-Verteilnetze verbindet und in ein Referenznetz über-
trägt. Dieses CIGRE-Referenznetz wird häufig als Modellgrundlage verwendet, da es sowohl die tech-
nischen Charakteristika als auch die Komplexität von realen Netzen widerspiegelt.96 Dieses Netz ist
als Strahlennetz aufgebaut, welches durch die Verwendung von ein-phasigen Leitungen nicht sym-
metrisch betrieben wird. Die Ortsstation (Transformator Mittelspannung/Niederspannung) hat eine
Scheinleistung von 400 kVA mit einer Regulierungsspanne von ±5 %. Anschlusstyp bzw. Schaltgruppe
94
(Linssen, et al., 2012) S.166 ff. 95
Ebd. S.167 96
(Papathanassiou, et al., 2005) S.1
56
des Transformators ist Dyn11 (Primärspule als Dreieck, Sekundärspule als Stern mit herausgeführtem
Sternpunkt, Phasenverschiebung 330°). Die Schutzeinrichtungen bestehen hauptsächlich aus einfa-
chen Sicherungen. Der Transformator selber ist zur Mittelspannungsebene ebenfalls über eine Siche-
rung geschützt. Als Kabel werden Kupfer oder Aluminium Untergrundkabel verwendet. Die Lastab-
gänge haben eine Länge von 30m und erlauben eine Stromstärke von 40 A. Die Erdung erfolgt nach
IEC 60364. Die eingefügten Lasten unterscheiden sich durch die Anzahl der individuellen Verbrau-
cher. Dem Referenznetz für Wohnbebauung wurden zwei Stränge für Industriebebauung und Ge-
werbebebauung hinzugefügt (Abbildung 30 siehe A6: CIGRE Referenznetz für größere Darstellung). Es
wurden Ebenfalls dezentrale Energieerzeuger und Speicher in das Referenznetz eingefügt (Schwung-
radspeicher/Batteriespeicher, Windturbine, Photovoltaikanlagen, Brennstoffzellen, Mikroturbinen).
Abbildung 30: CIGRE-Referenznetz
97
3.3.2 Vergleich der Netzvoraussetzungen in den EU-Mitgliedsstaaten
Das CIGRE-Referenznetz ist ein Durchschnitt über alle europäischen Netztopologien. Für die konkrete
Einbindung und Umsetzung einer einheitlichen Ladeinfrastruktur der Elektrofahrzeuge in Europa
müssen jedoch auch die Unterschiede in den Netzvoraussetzungen betrachtet werden. Diese variie-
ren je nach Mitgliedsstaat stark. Wichtig sind für die Ladeinfrastruktur vor allem die Kennwerte für
zulässige Spannung, Stromstärke und Schutzeinrichtungen an den Punkten
97
Nach (Papathanassiou, et al., 2005)
57
- im Haus (aufgeteilt in 3- und 1-phasige Systeme)
- am Hausanschluss
- auf der Verbindung zwischen Hausanschluss und Ortsstation
- an der Ortsstation
In Abhängigkeit der Anschlussart (privat, öffentlich, etc.) bestimmen diese Werte sowie der Zustand
des vorgelagerten Netzes, mit welcher Leistung die Fahrzeuge geladen werden können und welche
Sicherheitseinrichtungen zum Einsatz kommen müssen. Ein Großteil der Netze ist zurzeit auf einen
typischen Hausanschluss mit einer Leistung von ca. 2-4 kW ausgelegt. Je nachdem wie schnell gela-
den werden soll, wird dies mit Elektrofahrzeugen jedoch auf Leistungen über 10 kW steigen.98
Im Folgenden werden die wichtigsten Unterschiede zwischen den Mitgliedsstaaten aufgeführt. Eine
ausführliche Tabelle ist dem Anhang zu entnehmen (A1: EURELECTRIC-Tabelle – Vergleich von Netz-
parametern in der EU).99
Frequenz:
Die Netzfrequenz ist als Regelgröße in allen Mitgliedsstaaten einheitlich auf 50 Hz festgelegt.
Spannung:
Die Spannungsebenen sind wie die Netzfrequenz in allen Mitgliedsstaaten gleich. Es gibt im letzten
Verteilnetz zwei Spannungsebenen. Zum einen 400 V als 3-phasige Spannung und zum anderen 230 V
1-phasige Spannung. Lediglich in Kroatien wird teilweise auch 380 V und 220 V bereitgestellt.
Stromstärke:
Die eigentlichen Unterschiede zwischen den Mitgliedsstaaten finden sich in den zulässigen Strom-
stärken und der damit verbundenen Absicherung der Leitungen.
Der kleinste gemeinsame Nenner beim Hausanschluss sind 16 A. Dieser Wert ist auch für die nied-
rigste Stufe des Normmalladens angesetzt (Tabelle 5). Auffällig sind hierbei die Länder Rumänien,
Estland und Italien. Diese operieren teilweise auch mit geringeren Stromstärken. Interessanter für
das Laden von Elektroautos ist jedoch die maximal zulässige Stromstärke, da sich hierdurch höhere
Ladeleistungen und damit geringere Ladezeiten ermöglichen lassen. Hier lassen sich grob zwei Stufen
erkennen. Der Großteil der Mitgliedsstaaten hat eine maximale Absicherung von 63 A (Bulgarien,
Deutschland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Irland, Italien, Österreich, Portugal, Schweden,
Schweiz, Slowenien). Andere Mitgliedsstaaten haben eine niedrigere Stufe bei ca. 30 A (Dänemark,
Kroatien, Lettland, Luxemburg, Niederlande, Rumänien, Tschechien, Ungarn). Im Haus ist in den
meisten Ländern die Stromstärke auf 16 A abgesichert. Ausnahmen sind hier Belgien, Bulgarien, Grie-
chenland, Lettland, Polen, Slowakei, Spanien und Zypern, die auch höhere Stromstärken zulassen.
Die Zuleitung zwischen Ortsstation und Hausanschluss erlauben eine wesentlich höhere Stromstärke.
In vielen Ländern sind hier sogar bis zu 400 A zulässig, weitere Stufen sind bei 250 A und ca. 350 A.
98
(Hable, et al., 2012) S.1 99
(Eurelectric, 2011) S.15 f.
58
Phasen:
In den meisten Ländern wird der Hausanschluss dreiphasig oder drei- und einphasig ausgeführt. Itali-
en und Frankreich stellen jeweils nur eine Phase bereit. Außer in Frankreich, Italien, Niederlande,
Norwegen und Großbritannien kann auch im Haus auf Dreiphasen-Wechselstrom zurückgegriffen
werden. Zwischen Ortsstation und Hausanschluss wird so gut wie in allen Ländern der Strom drei-
phasig übertragen.
Fehlerstromschutzschalter (FI-Schalter):
Der Fehlerstromschutzschalter dient zum Schutz vor Fehlerströmen gegen Erde und ist damit eine
wichtige Sicherheitskomponente. Für die Ladeart Mode 2 ist dieser mit in das Kabel integriert (IC-
CPD), da nicht in allen Fällen das Vorhandensein auf Infrastrukturseite garantiert werden kann. In
vielen Ländern ist der Einbau der FI-Schalter erst seit einem bestimmten Stichtag Pflicht und beste-
hende Einrichtungen wurden nicht nachgerüstet (2009 Dänemark; 2004 Bulgarien; 1995 Finnland,
Lettland, Norwegen, Polen; 1975 Niederlande). In der Slowakei, Tschechien und Ungarn sind FI-
Schalter für gewöhnlich gar nicht vorhanden. Für die Ladeinfrastruktur im privaten Bereich, also an
Haushaltssteckdosen, ist ein weiterer wichtiger Punkt die unterschiedliche Handhabung des Einsteck-
schutzes. In Großbritannien, Finnland, Schweden, Belgien, Frankreich, Italien, Spanien und Portugal
ist der Einsteckschutz im privaten Bereich Pflicht.100
Ortsstationen:
Die Dimensionierung der Ortsstationen ist abhängig vom vorhandenen Netz. Es wird grob zwischen
städtischen und ländlichen Netzstrukturen unterschieden, wobei städtische Stationen oftmals größer
dimensioniert sind, da hier mehr Lasten an einem Transformator hängen als in ländlichen Regionen.
Grundsätzlich können allerdings keine allgemeinen Aussagen zu Transformatorgrößen getroffen
werden. Typisch verwendete Stufen sind 50, 250, 400 und 630 kVA, für städtische Gebiete auch
1.000 kVA. Gleiches gilt für die Anzahl der Hausanschlüsse pro Ortsnetzstation. Meistens variieren
diese von fünfzig bis zu wenigen hundert Anschlüssen.
Es ist wichtig zu beachten, dass es in vielen Ländern selbst intern starke Unterschiede in den Voraus-
setzungen des Verteilnetzes gibt. Folglich müssen regionale Unterschiede im Aufbau der Ladeinfra-
struktur von Fall zu Fall berücksichtigt und an die jeweiligen Gegebenheiten angepasst werden. Die
Aussage der Eurelectric dazu ist:
„However, generalizing the situation across Europe might not be appropriate, as grid charac-
teristics differ significantly among European countries.”101
100
(Eurelectric, 2012) S.12 101
(Eurelectric, 2011) S.12
59
3.4 Projekte zur internationalen Vernetzung von Ladeinfrastruktur
Im folgenden Abschnitt werden einige Beispielprojekte aufgeführt, deren Ziel es ist die barrierefreie
Interoperabilität innerhalb der Europäischen Union voran zu treiben.
3.4.1 EU-Projekte102
Die CIVITAS Initiative hilft europäischen Städten bei der Implementierung und dem Test innovativer
und integrierter Strategien zu den Bereichen Energie, Transport und Umwelt. Zurzeit werden 59
Städte unterstützt, die sich in einem jährlichen Forum austauschen, um Erkenntnisse zu teilen.
Das 7. Rahmenprogramm für Forschung und Technologienentwicklung unterstützt Forschung im Be-
reich der alternativen Kraftstoffe und deren Anwendung in den Bereichen Transport und urbaner
Mobilität. In diese Bereiche fallen neue Fahrzeuggenerationen, neue Mobilitätskonzepte, saubere
Transportkonzepte, Bedarfsmanagement sowie Werkzeuge, um Strategieentwicklung und Implemen-
tierung zu unterstützen.
Das Projekt EIP (European Innovation Partnership Smart Cities and Communities) hilft Städten, Kom-
munen, Unternehmen und Gesellschaften Smart-City-Lösungen in großem Maßstab schnell zu im-
plementieren. Smart-City bedeutet, dass die Bereiche Energie, Transport und IKT (Informations- und
Kommunikationstechnik) hier vernetzt betrachtet werden, um Dienstleistungen zu verbessern und
Umweltbelastungen sowie den Energieverbrauch zu reduzieren.
Das Intelligent Energy Europe Programme (STEER) unterstützt die nachhaltige Nutzung von Energie
im Transportsektor (Effizienzsteigerung, neue und erneuerbare Kraftstoffe, alternative Antriebe). Der
Fokus liegt bei alternativen Antrieben, Strategieentwicklung für eine effiziente Nutzung der Energie
und Stärkung des Know-Hows lokaler Behörden im Bereich Transport.
3.4.2 Roamingplattformen in der EU
E-clearing.eu103 und Treaty of Vaals
E-clearing.eu ist eine E-Roamingplattform, die Ladestationen in Belgien, den Niederlanden und
Deutschland verbindet. Gestartet hat die Kooperation mit den Mitgliedern ladenetz.de (Deutsch-
land), Blue Corner (Belgien) und e.laad.nl (Niederlande). Zur Klärung der Abrechnung wurde ein eige-
nes System, das Open European Clearing House System (eCHS) und ein eigenes Protokoll, das Open
Clearing House Protokoll (OHCP) als Kommunikationsbasis, benutzt. Mit Hilfe des Protokolls werden
alle relevanten Daten zwischen den Partnern ausgetauscht (z.B. Authentifizierungsinformationen,
Informationen über Ladevorgang, geographische Koordinaten und Lage aller Ladestationen). Insge-
samt enthält das Netzwerk 6.800 Ladepunkte.
102
(Europäische Kommission) 103
(e-Clearing Smartlab)
60
Im Treaty of Vaals, vom März 2012, wurde die Roamingplattform e-clearing.eu erweitert. Weitere
fünf Partner haben sich der Kooperation angeschlossen und einen Quasistandard für europäisches E-
Roaming erstellt. Diese sind: Becharged (Belgien), Estonteco (Luxemburg), Vlotte (Österreich),
ESBeCars (Irland) und Inteli (Portugal).
Hubject, Intercharge
Hubject ist ein Joint Venture der Unternehmen BMW, Daimler, RWE, Bosch, EnBW und Siemens.
Dieses Projekt betreibt E-Roaming über die Plattform Intercharge und verbindet europaweit Mobili-
tätsanbieter, Ladestationsbetreiber und Nutzer. Das Unternehmen PlugSurfing GmbH bietet seit Juni
2014 eine Smartphone App an, über die Ladestationen gefunden und der Ladevorgang abgerechnet
werden können. Im Rahmen von Intercharge können die Ladestationen der Partner EnBW, Belectric,
Intercharge und RWE genutzt werden. Der Ladevorgang wird über die App in Verbindung mit einer
Kreditkarte abgerechnet.104 Das Netzwerk wurde 2014 mit E-Roaming-Partnern in Frankreich (Gireve
SAS)105 und Skandinavien106 (EVU Fortum) erweitert. Die Intercharge-Partner nutzen das Open Inter-
Charge Protocol (OICP). Im März 2014 startete die Hubject GmbH mit einer emobility-
Zertifizierungsstelle, welche Stammzertifikate zur Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladeinfra-
struktur vergibt. Diese Zertifikate dienen als Fahrzeug-IDs und werden für Plug&Charge und das ge-
steuerte Laden nach ISO/IEC 15118 verwendet.107
3.4.3 eMI³108
Die eMobility ICT Interoperability Innovation Group (eMI³) ist eine Interessengruppe unter der Koor-
dination von ERTICO-ITS Europe. Ziel ist es, Interoperabilität durch Standardisierung (Informations-
und Kommunikationsdaten, Formate, Interfaces, Austauschmechanismen), einheitliche sektoren-
übergreifende Implementierung sowie Projektunterstützung voranzutreiben. eMI³ bietet Fahrzeug-
herstellern, Elektrotechnik, Ladepunktbetreibern, Lieferanten, Dienstleistern sowie Forschung und
Entwicklung eine Plattform zum Austausch. Die Aufgaben werden in fünf Arbeitsgruppen aufgeteilt
(Use Cases & Services, Architecture & Interfaces, Business Objects & Identification, Stakeholder Ma-
nagement & Liaison & Organisation, Charge Station Communication Protocol). Speziell die Arbeits-
gruppe Charge Station Communication Protocol arbeitet daran einheitliche Kommunikationsproto-
kolle für alle Beteiligten zu entwickeln und zu implementieren.
104
(PlugSurfing) 105
(Elektroniknet.de) 106
(bizzenergytoday.com) 107
(Hubject GmbH, 2014) 108
(eMI³)
61
3.4.4 Online-Karten für Ladestationen
Es existiert ein breites Angebot an Online-Karten, in denen Ladepunkte eingetragen werden können.
Hiermit kann zum einen Nutzern von Elektrofahrzeugen geholfen werden, geeignete Ladepunkte in
ihrer Nähe oder auf ihrer Reiseroute zu finden, zum anderen dienen diese Karten zur Datensamm-
lung über den Ausbau der Ladeinfrastruktur. In den Karten können alle Nutzer Informationen über
Ort und Eigenschaften (privat/öffentlich, Leistung, Abrechnung, etc.) der Ladepunkte eintragen. Die
Online-Karten können mit Navigations- oder Buchungssystemen kombiniert werden und sind darüber
hinaus auch als Smartphone-App nutzbar. Hierdurch kann die Reichweitenangst und der
Restreichweitensicherheitspuffer der Nutzer gesenkt werden.109 Allein in Europäischen Ländern exis-
tieren über 30 verschiedene Kartenanbieter. In (Lilley, et al., 2013) werden einige der Web-Seiten
aufgelistet und beschrieben. Aus den aufgelisteten Seiten werden folgend die wichtigsten Online-
Karten aufgeführt:
Tabelle 16: Online-Karten für Ladestationen
Link Beschreibung
http://plugsurfing.co.uk
- Informationen über Ort, Zugang und Bezahlung
- Geeignet für GB, Niederlande, Deutschland, Norwegen,
Schweiz, Österreich, Bulgarien und Dänemark
- Kontaktmöglichkeit zum Ladepunktbetreiber
http://chargemap.com - Geeignet für EU und USA
- Filteroptionen für Steckertypen und Leistung
http://openchargemap.org/site
- Globale Sammlung von Ladepunkstandorten
- Zusätzliche Informationen über Schnellladepunkte
- Kontaktmöglichkeit zum Ladepunktbetreiber
http://lemnet.org/de/
- Filteroptionen für Zugang, Anschluss und Sonstiges
- Möglichkeit zur Routenplanung
- Geeignet für EU
109
(Lilley, et al., 2013) S.2
62
4 Konzept zur barrierefreien Ladeinfrastruktur in der EU
Nach der Beschreibung des technischen Systems Ladeinfrastruktur und der Recherche des aktuellen
Ausbaustands in der EU in den vorangegangenen Kapiteln wird nun folgend ein Konzept entwickelt,
wie eine einheitliche Ladeinfrastruktur gestaltet sein könnte. Dabei ist zu beachten:
„Eine ideale Lösung mit einem einzigen Standard für alle Anwendungen ist faktisch nicht mög-
lich. Vielmehr wird es eine Auswahl an Methoden, angepasst an die verschiedenen Fahrzeugty-
pen, Ladesituationen und Umgebungsbedingungen, geben.“110
4.1 Chancen und Barrieren - Problemidentifizierung
Aus dem in den vorangegangenen Teilen der Arbeit recherchierten, aktuellen Stand der Technik las-
sen sich die Chancen und Barrieren einer europaweit vernetzten Ladeinfrastruktur identifizieren.
Da der Ausbau der Ladeinfrastruktur mit dem Ausbau der Elektromobilität eng verknüpft ist, sind die
Chancen der Ladeinfrastruktur gleichzeitig Chancen der Elektromobilität im Allgemeinen. Bei den
Barrieren gilt ähnliches in Bezug auf die Zuordnung zwischen Ladeinfrastruktur und Elektromobilität.
Einige der Punkte lassen sich jedoch hierbei auch klar der Infrastruktur zuordnen.
Chancen:
- Reduzierung lokaler Emissionen
- Steigerung der Energieeffizienz
- Reduzierung des verkehrsbedingten CO2-Ausstoßes
- Verbreiterung der Ressourcenbasis und Nutzung erneuerbarer Energien
- Senkung der Mobilitätskosten
- Synergieeffekte zwischen E-Fahrzeugen und Energieversorgungssystem
- Wettbewerb und Marktentwicklung durch Systemdienstleistungen
- Rückgriff auf bereits vorhandene Versorgungsnetze (vorhandenes Stromnetz, Hausanschlüs-
se, etc.)
Barrieren:
- Koordinierungsproblem (Henne-Ei-Problem, Dead-Lock-Situation)
- Bereitstellung flächendeckender Ladeplätze mit steuerbarer, intelligenter Ladetechnik ist
kostenintensiv
- Batterieentwicklung
- Lange Ladezeiten
- Inselbildung durch Modellregionen
- Überführung der Forschungsergebnisse aus den Modellregionen in sich selbsttragende Kon-
zepte
110
(Focus Group on European Electro-Mobility, 2011)
63
- Verschiedene Anbieter, die untereinander nicht kooperieren (z.B. viele verschiede Ladekar-
ten)
- Verschiedene Netzvoraussetzungen (Hausanschlüsse)
- Einheitliche Lade-, Verbindungs- und Abrechnungstechnik
- Soziokulturelle Barrieren
- Netzbelastung bei hoher Durchdringung von Elektroautos
- (Steckerfrage)
4.2 Hierarchische Zielentwicklung und Systemabgrenzung - Problemstruk-
turierung
In diesem Kapitel werden Bewertungsziele in einem hierarchisch gegliederten Zielsystem sowie die
Systemgrenzen des Konzepts erarbeitet. Im Anschluss werden die Ziele und ihre Gewichtungen un-
tereinander festgelegt. Danach werden Wertetabellen aufgestellt, um eine möglichst offene Bewer-
tung der Alternativen durchzuführen. Aus dieser Bewertung ergeben sich Nutz- bzw. Präferenzwerte,
welche eine Rangfolge der Komponenten für die Zielerreichung ergeben.
Mit Hilfe der hierarchischen Zielentwicklung können Anforderungen und Zielvorgaben der Konzep-
tionierung systematisch in Funktionen, und im Anschluss daran auch in Lösungsmöglichkeiten, über-
führt werden. Dabei werden, ausgehend von einem Oberziel, Unterziele sowie Attribute und Alterna-
tiven entwickelt (Top-Down-Methode). Auf der letzten Ebene sollen sich die Funktionen, auf denen
der morphologische Kasten und die darauf folgende Bewertung aufbauen, ergeben. Abbildung 31
zeigt die schematische Aufstellung der Ziele. Oberziel ist ein einheitliches Konzept zur barrierefreien
Ladeinfrastruktur in der EU. Dieses Konzept soll die Anforderungen an Interoperabilität, Netzintegra-
tion, Nutzerfreundlichkeit, und wirtschaftliche sowie politische Rahmenbedingungen erfüllen. Inter-
operabilität ergibt sich aus der Kombination verschiedener technischer Funktionen wie einheitliche
Kommunikationsprotokolle, Authentifizierungs- und Autorisierungsarten, welche das Laden an anbie-
terfremden Stationen ermöglichen, einheitliche Schnittstellen (Steckertyp, Ladeart), Datenerfassung
von elektrischen und energiewirtschaftlichen Kennwerten, Nutzerinformationen und nicht zuletzt
einem einheitlichen Rechnungs- und Bezahlsystem. Durch die Kombination dieser technischen Vari-
ablen soll ein möglichst hohes Maß an Interoperabilität und Kompatibilität mit Fahrzeugen, Abrech-
nungsarten, Authentifizierungsarten und Ladearten erfüllt werden.
64
Abbildung 31: Hierarchische Zielentwicklung - barrierefreie Ladeinfrastruktur
Konzept für barrierefreie
Ladeinfrastruktur in Europa
Inter-operabilität
Technische Funktionen
Kompatibilität zu zukünftigen Elementen
einheitliche Kommunikation
(Nutzer, Fahrzeug, EVU)
Authentifizierung und Autorisierung
Ladevorgang (Ladeart, Steckertyp
etc.)
Datenerfassung (Energie)
Datenerfassung (Nutzerinformation
en)
Rechnungs- und Bezahlsystem
Netzintegration
G2Veinseitige
Steuerung des Ladevorgangs
V2Gbidirektionaler,
gesteuerter Energiefluss
Gebäude-integration
Einbindung in Smart Home -Systeme
Nutzer-freundlichkeit
Geschwindig-keit
Leistung
Sicherheit
elektrische Sicherheit
funktionale Sicherheit
Bedienung einheitliche Symbole
Ergonomie
Verfügbarkeit
Reserviersystem
Zugang (Zufahrt etc.)
Kosten
Anschaffung
Betrieb
Aufrüstung
65
Ein weiteres wichtiges Ziel ist es, die Elektromobilität als Teil eines Smart-Grids zu sehen. Eine geeig-
nete Netzintegration sollte gewährleistet sein, um die Akkus der Fahrzeuge als Teil einer auf erneu-
erbare Energien ausgelegte Energieerzeugung einsetzen zu können. Auch wenn erst ab einer höhe-
ren Durchdringung an Elektrofahrzeugen mit signifikanten Einflüssen auf das Energiesystem zu rech-
nen ist, sollten die Voraussetzungen bereits jetzt in Betracht gezogen werden, um teure Nachrüstun-
gen zu vermeiden. Grid to vehicle (G2V) bedeutet die einseitige Steuerung des Ladevorgangs. Hierbei
kann der Ladevorgang des Elektrofahrzeugs zeitlich verschoben, angehalten und fortgesetzt werden,
um den Verbrauch im Netz optimaler an die Erzeugung anzupassen. Vehicle to Grid (V2G) ist der
nächste Schritt des intelligenten Ladens, bei dem auch das Rückspeisen von Strom aus dem
Fahrzeugakku in das Netz ermöglicht wird. Speziell auch bei der Integration in Smart-Home-Systeme
spielt das Thema Demand-Side-Management eine wichtige Rolle.
Ein weiteres Unterziel ist die Nutzerfreundlichkeit der Ladeinfrastruktur. Geschwindigkeit der Wie-
deraufladung, elektrische und funktionale Sicherheit (Schutz vor Umwelteinflüssen an allen Aufstel-
lungsorten), einfache Bedienung durch einheitliche Symbole und geeigneter Ergonomie (intuitive
Benutzung) und die Verfügbarkeit der Ladeinfrastruktur (diskriminierungsfreie Nutzung) sind wichtig
für die Akzeptanz bei den Nutzern.
Zuletzt ist auch die Frage nach den Kosten ein wichtiger Zielpunkt des Konzeptes. Diese teilen sich
auf in die Anschaffung der Ladeinfrastruktur, den Betrieb derselben sowie gegebenenfalls Aufrüstun-
gen, um zusätzliche Funktionen zu ermöglichen wie beispielsweise eine höhere Anschlussleistung
oder Umrüstung zur Smart-Grid-Integration.
Einige der aus den Zielen entwickelten Anforderungen werden aus verschiedenen Gründen nicht in
die Bewertung eingeschlossen. Diese Komponenten sind für die Zielerreichung zwar als Rahmenbe-
dingungen oder Voraussetzungen wichtig, jedoch sind sie nicht als variable Systemkomponenten zu
sehen. In Abbildung 31 werden diese gestrichelt dargestellt (siehe dazu auch 4.3).
In Folge der Entwicklung der Ziele des Konzepts ergeben sich die Systemgrenzen und Schnittstellen
desselben (Abbildung 32). Die Schnittstelle der Infrastruktur zum Fahrzeug ist der Ladestecker, die
zum Verteilnetz der Netzanschluss. Zum Nutzer hin ist die Schnittstelle die Bedienung und das ent-
sprechend Bedieninterface. Zum Betreiber der Ladeinfrastruktur ist die Schnittstelle das vorgelagerte
Backend-System. Durch Netzanschluss, bzw. den Netzbetreiber, das Backendsystem und den Ladeinf-
rastrukturbetreiber wird auch die Schnittstelle der Ladeinfrastruktur zum Energiehandel definiert.
Weiter wird in dem Konzept nur das öffentliche Laden betrachtet, wobei auch Schlüsse auf Laden in
halböffentlichen Räumen gezogen werden können. Hierdurch fällt der Teil der Gebäudeintegration
weg. Das Clearing, die anschließende personalisierte Zuweisung der Abrechnungsdaten, wird aus
dem Konzept außen vor gelassen. Hier befindet sich also die Schnittstelle zwischen Infrastrukturbe-
treiber, Nutzer und Abrechnungsdienstleister. Ebenfalls wird das zwar zukünftig wichtiger werdende
66
induktive Laden, wegen der aktuell für Massentauglichkeit noch nicht voll ausgereiften und mit ho-
hen Kosten verbundenen Systeme, weggelassen.
Es wurden vier übergeordnete Kriterien festgelegt, an denen sich die Bewertung orientieren soll:
1. Betrachtung des technischen Systems Ladeinfrastruktur
2. Erweiterbarkeit auf zukünftige Technologien
3. Möglichkeit der Einbindung in bestehende Systeme
4. Möglichst geringe Kosten
Abbildung 32: Schnittstellen des Ladeinfrastrukturkonzepts
Lade-infrastruktur
Fahrzeug
Verteilnetz
Ladestationsbetreiber
Nutzer
Stecker
Ne
tzansch
luss
Backend-System
Be
die
nin
terf
ace
Energie-
handel
Öffentliche Ladeinfrastruktur
67
4.3 Morphologischer Kasten Ladeinfrastruktur - Problemstrukturierung
Tabelle 17 zeigt den für die Bewertung entwickelten morphologischen Kasten des Konzeptes. Es wer-
den den Anforderungen aus der Zielentwicklung (Spalten) Funktionen gegenübergestellt (Zeilen). Der
vollständige morphologische Kasten befindet sich im Anhang (A2: Morphologischer Kasten).
Tabelle 17: Morphologischer Kasten Ladeinfrastruktur (Variable Systemkomponenten)
Anforderung Funktion
Technische Funktion
einheitliche
Kommunikation
(Nutzer, Fahr-
zeug, EVU)
OCPP (Ladesäule) Smart Charge Communication Protocol nach ISO 15118
Komm. Station -
Fahrzeug PLC (EVSEID, EMAID) Signaling PIN keine
Komm. Station -
Netz PLC GSM GPRS LAN Seriell (RS485) keine
Ladeart Mode 1 Mode 2 Mode 3 Mode 4
Steckertyp Typ 1* Typ 2 Typ 3* Combo 1* Combo 2 Chademo
Authentifizierung RFID NFC
Park-
scheinau-
tomat
Smart-
Card/EC Schlüssel PIN-Code
PLC
(Plug&Char
ge, EVSEID,
EMAID)
Telefon-
hotline SMS
web-
basiert
(App)
Autorisierung Backendserver (nicht
roamingfähig) Whitelist Backendserver (roamingfähig)
keine bzw. permanente (white
line)
Datenerfassung
(Energie)
elektronischer Haus-
haltszähler EDL 21 (AMR)
eHZ mit Multi Utility
Communication EDL 40
(AMM)
Ferrariszähler (mecha-
nisch)* direkte Anbindung indirekte Anbindung
Datenerfassung
(Nutzerinforma-
tionen)
Ladepunktmanagementsystem Nutzermanagementsystem
Rechnung und
Bezahlsystem
EC (Kartenle-
ser, Quittung,
Verschlüsse-
lung)
Barzahlung
(Münz &
Schein, Quit-
tung, keine
Verschlüsse-
lung)
RFID Eigen-
kunde (RFID-
Leser, keine
Quittung,
Rechnung
Provider, OCPP
zum Backend,
kein Roaming)
RFID Fremd-
kunde (RFID-
Leser, keine
Quittung,
Rechnung
Provider, OCPP
zum Backend,
Roaming)
Mobilfunk-
vertrag
Pro Kilowatt-
stunde Pro Zeiteinheit
Pro Ladevor-
gang
Geschwindigkeit
Anschlussleistung automatische
Leistungsanpassung
kontinuierliche
Anschlussleistung
Level 1 (AC) (1-
phasig)
Level 2 (AC) (3-
phasig)
Level 3 (AC) (Hoch-
leistung)
Level 3 (DC) (Hoch-
leistung)
Netzintegration
einseitige Steue-
rung des Lade-
vorgangs
Load Controller zeitversetzt nicht zeitversetzt
bidirektionaler,
gesteuerter
Energiefluss
eHZ mit Multi
utility communi-
cation EDL 40
Load Controller
PLC (IEC 61851)
low Level Kom-
munikationsprot
okoll
ISO 15118 high
level Kommuni-
kationsprotokoll
CSCC Charging
Station Control
Center
Bidirektionaler
Umrichter
Gateway Control-
ler
Einbindung in
Smart-Home-
Systeme*
Smart Charge Communication Protocol nach ISO 15118*
*kann von Bewertung ausgeschlossen werden
Einschränkung der Lösungskombinationen
Da im Rahmen dieser Arbeit die öffentliche Ladeinfrastruktur behandelt wird, wird die Ladeart nach
Mode 1 ausgeschlossen. Auch bei den Steckertypen werden im Sinne der europäischen Richtlinie die
Stecker Typ-2 und Combo-2 favorisiert. Auf Grund der bereits vorhandenen Infrastruktur werden
jedoch der Stecker Typ-1 und der Chademo mit in die Bewertung aufgenommen. Ausgeschlossen
werden der Stecker Typ-3 und Combo-1.
Der mechanische Haushaltszähler
ronische Haushaltszähler (eHZ) au
Abbildung 33 zeigt die in 4.2 berei
Sie können bereits durch Normen
gungen für elektrische und funktio
sie entsprechen den vorher gewäh
Abbildung 33: Einschrä
Durch einen modularen Aufbau de
onen und die dafür benötigten Ko
kann durch einheitliche Kommun
sierter Schnittstellen und Kommun
Anforderungen an elektrische un
bedingungen vorgegeben. Hierdu
und gehören damit auch nicht di
Funktion der Ladeinfrastruktur erg
Schutzklasse für öffentliche Lades
dicht, vollständiger Schutz gegen
geringere Schutzklasse und bede
mm, geschützt gegen Zugang mit
Kompatibilität zu zukünftigen Elem
•modularer Aufbau
Elektrische Sicherheit
•Fehlerstromschutz
•Spannungsfreischaltung
•Überspannungsschutz
•Leistungsschutzschalter
•Ladecontroller
Funktionale Sicherheit, Vandalism
•Schutzklasse IP67
•Schutzklasse IP44
einheitliche Symbole
•Piktogramme nach DIN ISO 7000
Ergonomie
•DIN SPEC 33400
Verfügbarkeit
•Reserviersystem (Forschungsbedarf)
•Zugang (Barrierefreiheit, Parkraumbew
Kosten
•Anschaffung
•Betrieb
•Aufrüstung
hler (Ferrariszähler) soll aufgrund EU-rechtlicher Um
) ausgeschlossen werden.
ereits erwähnten Einschränkungen aufgrund von Ra
men oder durch Richtlinien festgelegt sein (technisc
nktionale Sicherheit), es besteht noch zu großer Fors
wählten Bewertungsvorgaben (z.B. Kosten).
chränkungen durch Rahmenbedingungen und Vorausset
u der Komponenten in der Ladesäule ist es möglich
n Komponenten hinzuzufügen. Die Funktion der Mo
munikation geschaffen werden, also durch die Verw
munikationsprotokolle.
und funktionale Sicherheit werden durch die tech
erdurch werden bestimmte Komponenten in jeder
t direkt zu den variablen Systemkomponenten. Die
r ergibt sich aus der Auswahl der Systemkomponent
adestationen ist abhängig vom Aufstellungsort. IP 6
gen Berührung, Schutz gegen zeitweiliges Untertau
edeutet: geschützt gegen feste Fremdkörper mit D
mit einem Draht, Schutz gegen allseitiges Spritzwass
lementen
lismussicherheit
bewirtschaftung, Datenerfassung Parkfläche)
68
Umstellung auf elekt-
n Rahmenbedingungen.
nische Anschlussbedin-
Forschungsbedarf oder
ssetzungen
lich, zusätzliche Funkti-
Module untereinander
Verwendung standardi-
technischen Anschluss-
der Ladesäule verbaut
. Die Sicherstellung der
nenten. Die Wahl der IP
IP 67 bedeutet: staub-
rtauchen. IP 44 ist eine
it Durchmesser ab 1,0
wasser. Die Möglichkei-
69
ten für die Verwendung einheitlicher Symbole und Grundsätze der Ergonomie wurden bereits in
2.8.5 dargestellt. Barrierefreier Zugang und die zugehörige Parkraumbewirtschaftung sind ebenfalls
abhängig vom Aufstellungsort. Auch die Verfügbarkeit kann nicht durch bestimmte Bauteile der La-
deinfrastruktur realisiert werden. Im Bereich der Reserviersysteme und der dafür nötigen Datener-
fassung über den Zustand der Parkfläche bestehen noch zu viele offene Fragen und Forschungsbe-
darf, um hier einen einheitlichen Vorschlage für Ladeinfrastruktur auf EU-Ebene treffen zu können.
Aktuell wird bei Ladesäulen eine sogenannte ad-hoc Reservierung fokussiert. Dabei kann ein aktuell
freier Ladepunkt von einem Nutzer ab sofort reserviert werden. Die entsprechenden Informationen
werden über das Backend-System mittels OCPP an die Ladestation weitergegeben. Die Reservierung
entspricht dabei einer Sperre des Ladepunktes, die nur vom reservierenden Nutzer aufgelöst werden
kann. Somit ist sichergestellt, dass der Ladepunkt beim Eintreffen des Nutzers frei ist. Das Problem ist
dabei jedoch, dass kein weiterer Nutzer ab dem Zeitpunkt der Reservierung den Ladepunkt nutzen
kann, auch wenn dieses erst in einigen Stunden nötig ist.
Die Ladeinfrastrukturkosten wurden als höher geordnetes Bewertungsziel festgelegt und fallen daher
aus der Bewertung heraus.
Aus der untersten Ebene aus Abbildung 31 wurde der morphologische Kasten bestehend aus den
variablen Systemkomponenten entwickelt (Tabelle 17).
70
4.4 Ergebnisse der Bewertung nach Nutzwertanalyse und Quality-
Function-Deployment - Modellbildung
Gewichtungsfaktoren
Zunächst werden den Anforderungen Gewichtungsfaktoren zugeordnet
Tabelle 18: Gewichtungsfaktoren
Anforderung Gewichtungsfaktor
Kompatibilität zu zukünftigen Elementen 4
einheitliche Kommunikation (Nutzer, Fahrzeug, EVU) 4
Komm. Station - Fahrzeug 2
Komm. Station - Netz 3
Ladeart 2
Steckertyp 1
Authentifizierung 2
Autorisierung 2
Datenerfassung (Energie) 1
Datenerfassung (Nutzer) 1
Rechnung und Bezahlsystem 2
Anschlussleistung 3
einseitige Steuerung des Ladevorgangs 1
bidirektionaler, gesteuerter Energiefluss 2
Tabelle 18 zeigt die Vergabe der Gewichtungsfaktoren hinsichtlich ihres Einflusses auf die überge-
ordneten Bewertungskriterien (0 (--), 1 (-), 2 (neutral), 3(+), 4 (++)). Dabei haben einheitliche Kom-
munikationsschnittstellen und -protokolle die höchsten Gewichtungsfaktoren da hierdurch mit gerin-
gem Kostenaufwand Interoperabilität und Barrierefreiheit geschaffen werden kann und diese einfach
in bestehende Systeme übernommen werden können. Die Kommunikation zwischen der Ladestation
und dem Backendserver hat hier einen höheren Stellenwert als die Kommunikation zwischen Lade-
station und Fahrzeug. Die Möglichkeit eines bidirektional gesteuerten Energieflusses wird einem
ungesteuerten oder unidirektionalen Energiefluss vorgezogen, ist jedoch mit höheren Kosten ver-
bunden und erhält daher nicht einen höheren Gewichtungsfaktor. Durch die Empfehlung der EU-
Richtlinie für alternative Kraftstoffe für die Verwendung des Typ-2- und des Combo-2-Steckers wird
diese Anforderung ebenfalls geringer gewichtet.
Punktevergabe
Die Bewertung der Funktionen wurde mit den Werten 0,1,3 und 9 vorgenommen. Die komplette
Tabelle der NWA/QFD mit Auflistung der Punktevergabe und der Gewichtungsfaktoren befindet sich
im Anhang. Die Lösungskombinationen wurden in verschiedene Teilbereiche zusammengefasst:
- Bereich Kommunikation (A3: Bewertungstabelle Teil 1)
- Bereich Laden (A3: Bewertungstabelle Teil 1)
- Bereich Freischaltung und Freigabe (A4: Bewertungstabelle Teil 2)
- Bereich Datenerfassung für Energie und Nutzer (A4: Bewertungstabelle Teil 2)
- Bereich Rechnung und Bezahlsystem (A5: Bewertungstabelle Teil 3)
- Bereich Netzintegration (A5: Bewertungstabelle Teil 3)
71
Bereich Kommunikation
Im Bereich der Kommunikation wird zwischen der Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladestati-
on, sowie zwischen Ladestation und dem vorgelagerten Systemen unterschieden. Die Protokolle
OCPP und das Smart Charge Communication Protocol nach ISO 15118 sind für die Kommunikation
entscheidend, da sie in den am höchsten gewichteten Bereichen Kompatibilität und einheitliche
Kommunikation einen hohen Stellenwert einnehmen. Für einen bidirektionalen Energiefluss soll
ebenfalls der Standard ISO 15118 verwendet werden. Eine Powerline-Communication kann als Über-
tragungstechnik sowohl zwischen Fahrzeug und Station als auch zwischen Station und vorgelagertem
System benutzt werden und ist kompatibel zu bestehenden Systemen. Zurzeit erfolgt die Kommuni-
kation zwischen Station und vorgelagertem System meist über GSM/GPRS. Dies hat den Vorteil, dass
die Station über ein drahtloses Netz mit dem Backendsystem verbunden ist und dadurch unabhängig
von Kabelstörungen ist. Die Methode, einen Signal-Pin zu schicken, ist einfacher als ein Powerline-
Communication-Modul. Über letzteres wird jedoch die Möglichkeit offen gelassen, umfangreichere
Datenpakete für die mögliche Netzintegration zu übertragen und eine einheitliche Kommunikations-
technik für alle Bereiche zu verwenden.
Bereich Laden
Die Verwendung der Stecker Typ-2 und Combo-2 werden von der EU als Standard festgelegt. Daher
sollten für eine einheitliche Ladeinfrastruktur in den Mitgliedsstaaten auch diese für den jeweiligen
Zweck (Wechsel- und Gleichstromladung) verwendet werden. Durch die Verankerung in der Richtli-
nie für alternative Kraftstoffe ist davon auszugehen, dass in der EU zukünftige kabelgebundene Lade-
systeme diese Stecker benutzen.
Nicht außer Acht zu lassen sind allerdings auch die bereits vorhandene Chademo-Infrastruktur und
die in vielen Fahrzeugmodellen verbauten Typ-1 Adapter. Die Verwendung dieser Stecker wird durch
die Richtlinie nicht untersagt. Es muss also von Fall zu Fall entschieden werden, ob zusätzlich zu den
vorgegebenen Typ-2 und Combo-2 Anschlüssen weitere Steckeranschlüsse bereitgestellt werden.
Die Leistung, mit der geladen wird, bestimmt direkt die Geschwindigkeit der Ladung. Anzustreben ist
für öffentliche Ladeinfrastruktur eine möglichst hohe Ladeleistung, um auch in kurzen Verweildauern
des Fahrzeugs den Akku weit aufladen zu können. Dies spricht für Level 3 AC-Ladung und Level 3 DC-
Ladung (Mode 3 und Mode 4). Aufgrund der Unterschiede im europäischen Verteilnetz ist es jedoch
nicht möglich, eine einheitliche Empfehlung zu geben. Je nach Aufstellungsort variiert die maximal
mögliche Ladeleistung. Eine automatische Leistungsanpassung durch Leistungselektronik ist für ein
einheitliches System sinnvoll. In Kapitel 2.7 wurde für das öffentliche Laden ein Schnellladen mit ei-
ner Leistung von 11,1 - 43,6 kW als die ökonomisch sinnvollste Lösung ermittelt.
72
Bereich Freischaltung und Freigabe
Etabliert hat sich bei vielen Ladestationsbetreibern die Verwendung von RFID-Karten zur Freischal-
tung der Ladestation. Hierbei werden zu der Ladekarten-ID die dazugehörigen Nutzerdaten auf dem
Backendserver des Mobilitätsanbieters oder Ladestationsbetreibers, bzw. die Information über die
Berechtigung die Ladestation nutzen zu dürfen, hinterlegt. Dies ist praktikabel für den Nutzer. Aller-
dings vergibt aktuell jeder Ladepunktbetreiber seine eigenen Identifikationsnummern, wodurch der
Nutzer jeweils eine separate Karte benötigt. Um dies zu verhindern, wird ein Backendserver benötigt,
der roamingfähig ist, sodass die Nutzer-ID auch an Ladestationen von Fremdanbietern erkannt wird.
IDs sollten auf die einheitlichen EVSEIDs und EMAIDs formatiert werden, eine europäische Abstim-
mung ist dabei wichtig. Praktikabler ist hier ebenfalls die Verwendung von PLC. Hierdurch kann eine
automatische Authentifizierung, Autorisierung und der Start des Ladevorgangs mit Einstecken des
Steckers erreicht werden. Das Plug&Charge-System nutzt die im Fahrzeug gespeicherte Nutzer-ID zur
Authentifizierung und Autorisierung. Ansonsten werden für die Datenerfassung und die Weiterlei-
tung der Daten die gleichen Komponenten benötigt wie bei der Benutzung von RFID-Karten.
Eine Freischaltung über SmartCards, wie EC-Karten, könnte ebenso funktionieren. Diese Methode
erlaubt, die von der EU-Richtlinie geforderte Ad-hoc Ladung ohne Vertrag mit dem Ladestationsbe-
treiber. Hierbei muss überprüft werden, ob die Verbindung mit der Möglichkeit der Direktbezahlung
den Aufwand der bereits mit RFID-Karten funktionierenden Ladesäulen wettmacht, da der Einsatz
von EC-Kartensystem in jeder Ladesäule mit erhöhten Kosten verbunden ist.
Web-basierte Freischaltung (bspw. Smartphone App) oder die Freischaltung per SMS schließen Nut-
zergruppen ohne Smartphone aus. Sie sind allerdings Alternativen bzw. Ergänzungen zur RFID-
Freischaltung. Schlüssel oder PIN-Codes sind einfach zu handhaben und erfordern weniger aufwendi-
ge Systeme. Sie sind jedoch für die anbieterübergreifende Zuordnung und verursachergerechte Ab-
rechnung unpraktisch und daher für eine öffentliche Ladeinfrastruktur nicht zu empfehlen. Whitelists
in der Ladesäule, die nur eine bestimmte Anzahl an Nutzern zulassen sind unpraktikabel. Eine dauer-
hafte Freigabe der Ladeinfrastruktur ist für den Nutzer eventuell von Vorteil, verhindert jedoch zu-
sätzliche Dienstleistungsangebote für den Ladestationsbetreiber.
Im Sinne der internationalen Vernetzung der Ladeinfrastruktur und der Möglichkeit den Ladevorgang
mitgliedsstaatenübergreifend zuordnen und abrechnen zu können, sollte angestrebt werden die öf-
fentlichen Ladesäulen mit einem roamingfähigen Backendserver zu verbinden.
73
Bereich Datenerfassung für Energie und Nutzer
Intelligente Stromzähler sollen laut EU-Richtlinie 2009/72/EG bis 2020 bei 80% der Endnutzer instal-
liert sein.111 Dadurch ist es auch bei der Ladeinfrastruktur sinnvoll, Smart-Meter einzusetzen. Dabei
werden in Deutschland zwei Systeme unterschieden: EDL21-Zähler und EDL40-System112. EDL21-
Zähler erfassen Energiemengen und den zeitlichen Verlauf dieser. Erweitert um einen MUC-
Controller (Mulit-Utility-Communication) können diese Daten fernausgelesen werden und der Zähler
als Fernschalter benutzt werden. Man spricht bei den beiden Systemen auch von AMR (Advanced
Meter Reading) und AMM (Advanced Meter Management). AMR bezeichnet den unidirektionalen
EDL21-Zähler. AMM ermöglich darüber hinaus Fernschaltung, Laststeuerung, Spannungsüberwa-
chung und Event-Logging. Folglich sollten Zähler für öffentliche Ladestationen als EDL40-System aus-
geführt werden. Eine indirekte Anbindung des Fahrzeugs an die Ladestation bietet den Vorteil, dass
Daten einheitlich versendet werden und Informationen nicht über zwei verschiedene Kommunikati-
onswege aufgeteilt werden. Durch die direkte Anbindung können zwar flexiblere Dienstleistungsan-
gebote realisiert werden, der damit verbundene Aufwand erscheint jedoch wesentlich höher. Für die
Datenauswertung sollte das Backendsystem über ein Ladepunktmanagementsystem und Nutzerma-
nagementsystem verfügen.
Bereich Rechnung und Bezahlsystem
Anzustreben ist ein System, dass dem Nutzer größtmögliche Flexibilität ermöglicht. Hierfür eignet
sich ein System mit RFID (bzw. EVSEID und EMAID), dass auch Fremdkunden Zugang erlaubt. Nötig
sind dazu ein Lesegerät zur Erkennung der ID, die Verwendung eines standardisierten Protokolls (ak-
tuell OCPP), ein roamingfähiges Backend-System sowie ein Provider, der die Rechnung an den Kun-
den stellt. Eine zusätzliche Möglichkeit der Direktbezahlung erhöht die Zahl der möglichen Nutzer.
Die Direktbezahlung ist die Variante mit der höchsten Interoperabilität und Diskriminierungsfrei-
heit113, erhöht jedoch die Kosten der Ladeinfrastruktur. Hier sollte auf die Bezahlung mit EC-Karte
zurückgegriffen werden, sofern sich nicht ein anderes System als kostengünstiger erweist. Die Mög-
lichkeit, die Abrechnung über den Mobilfunkvertrag laufen zu lassen, sollte für eine europaweite
Lösung nur als Zusatzalternative gesehen werden, da hier zusätzlich Verträge zwischen Mobilfunkan-
bietern und Mobilitätsanbietern ausgehandelt werden müssen. Hierdurch wird das System verkom-
pliziert. Die Abrechnung pro Kilowattstunde ist im Sinne der verursachergerechten Abrechnung und
der Erweiterbarkeit auf bidirektionalen Energiefluss zu empfehlen. Die Abrechnung pro Zeitintervall
111
(Europäische Union, 2009) Anhang I Absatz (2) 112
EDL steht für „Energiedienstleistung“, die Zahl 21 bzw. 40 für die §§ des Energiewirtschaftsgesetz 113
(Kompendium für den interoperablen und bedarfsgerechten Aufbau von Infrastruktur für Elektrofahrzeuge,
2014) S.27
74
oder pro Ladevorgang ist als Dienstleistungsangebot im privaten bzw. halböffentlichen Raum zu se-
hen.
Bereich Netzintegration
Die aktive Netzintegration der Ladeinfrastruktur wurde in zwei Stufen eingeteilt. Zum einen eine
einseitige Steuerung des Ladevorgangs (Zeitpunkt des Start und Stopps des Ladevorgangs) zum ande-
ren ein bidirektionaler gesteuerter Energiefluss. Bei letzterem dient der Fahrzeugakku als Energie-
speicher. Notwendig dafür ist ein Load Controller mit Kommunikationsgateway als Steuereinheit und
eine bidirektionale Leistungselektronik in der Ladesäule. Die Möglichkeit, den Ladevorgang zeitver-
setzt zu starten, ergibt sich implizit durch die Möglichkeit der Steuerung. Als Kommunikationsproto-
kolle dienen auf der unteren Systemebene die IEC 61851 mit PLC und auf übergeordneten Ebenen
die ISO/IEC 15118. Im Sinne der EU-Ziele zum Ausbau der Elektromobilität sollte dies entweder direkt
eingebunden werden oder so ausgeführt werden, dass die Ladestation einfach aufzurüsten ist. Sol-
che bidirektionalen Systeme werden zurzeit in Praxistests erprobt. Es ist nicht sicher festzulegen, ob
kurze ad-hoc-Ladevorgänge an öffentlichen Ladestationen steuerbar sein sollten oder können. Die
öffentliche Ladeinfrastruktur sollte so konzipiert werden, dass entweder bidirektionales Laden mög-
lich ist oder Bauteile einfach nachträglich eingebaut oder ersetzt werden können (modulare Erweite-
rung). Ein System in dem der Nutzer vorher festlegen kann, ob sein Ladevorgang steuerbar sein soll
könnte eine Lösung für die bestehenden Unklarheiten sein.
Tabelle 19 zeigt die Rangliste der ersten 20 Komponenten durch die Punktevergabe.
Tabelle 19: Rangfolge der für das Konzept wichtigsten Komponenten nach der Bewertung
Rang Funktion
1 Smart charge communication protocol nach ISO 15118
2 Backend-Server (roamingfähig)
3 eHZ mit Multi Utility Communication (EDL 40)
4 PLC (EVSEID, EMAID) (Station - Netz)
5 Ladepunktmanagementsystem
6 Nutzermanagementsystem
7 Typ 2
8 Combo 2
9 Mode 3
10 Automatische Leistungsanpassung
11 Mode 4
12 RFID Fremdkunde (RFID-Leser, keine Quittung, Rechnung Provider, OCPP Backend, Roaming Backend)
13 RFID (Freischaltung)
14 PLC (Plug&Charge) (Station - Fahrzeug)
15 Load Controller
16 OCPP
17 Chademo
18 GSM
19 GPRS
20 RFID Eigenkunde (RFID-Leser, keine Quittung, Rechnung Provider, OCPP zum Backend, kein Roaming)
75
Zusätzlich wurde für jede Anforderungen aus dem morphologischen Kasten jeweils die Lösung mit
der höchsten Punktevergabe sowie mögliche Alternativen aufgeführt. Aus der Bewertung ergibt sich
anhand der Zielkriterien folgende vorgeschlagene Lösung für ein Konzept zur Ladeinfrastruktur in der
EU (Tabelle 20).
Teilweise enthalten die Spalten auch Kombinationen, die im Zusammenspiel die Funktion ermögli-
chen („einheitliche Kommunikation (Nutzer, Fahrzeug, EVU)“, „Datenerfassung (Nutzerinformatio-
nen)“, „bidirektionaler gesteuerter Energiefluss“).
Tabelle 20: Morphologischer Kasten Ladeinfrastruktur nach Bewertung (graue Zellen: Alternativen)
Anforderung Funktion
einheitliche Kommu-
nikation (Nutzer,
Fahrzeug, EVU)
OCPP (Ladesäule) Smart Charge Communication Protocol nach ISO 15118
Komm. Station -
Fahrzeug PLC (EVSEID, EMAID)
Komm. Station - Netz PLC GSM/ GPRS
Ladeart Mode 2 Mode 3 Mode 4
Steckertyp Typ 2 Combo 2 Chademo Typ 1
Authentifizierung RFID PLC (Plug&Charge EVSEID, EMAID)
Autorisierung Backend-Server (roamingfähig)
Datenerfassung
(Energie) eHZ mit Multi Utility Communication EDL 40 (AMM)
Datenerfassung
(Nutzerinformationen) Ladepunktmanagementsystem Nutzermanagementsystem
Rechnung und Bezahl-
system EC (Kartenleser, Quittung, Verschlüsselung)
RFID Fremdkunde (RFID-Leser, keine Quittung, Rechnung Provi-
der, OCPP Backend, Roaming Backend)
Anschlussleistung automatische Leistungsanpassung Level 3 (AC) (Hochleistung) Level 3 (DC) (Hochleistung)
einseitige Steuerung
des Ladevorgangs Load Controller
bidirektionaler,
gesteuerter Energie-
fluss
eHZ mit Multi
utility communi-
cation EDL 40
Load Controller
PLC (IEC 61851)
low Level
Kommunikati-
onsprotokoll
ISO/IEC 15118
high level
Kommunikati-
onsprotokoll
CSCC Charging
Station Control
Center
Bidirektionaler
Umrichter
Gateway Con-
troller
76
5 Fazit und Ausblick
Mit dieser Arbeit wurde ein Konzept für öffentliche Ladeinfrastruktur entwickelt und bewertet, wel-
ches sich an der aktuellen Situation in der europäischen Union orientiert. Die Lösungsansätze versu-
chen bestehende Barrieren zu berücksichtigen und diese aufzuheben. Durch die Recherche und die
darauffolgende systematische Bewertung mittels NWA und QFD wurde aufgezeigt, dass aktuell nicht
die technischen Komponenten, sondern die Systemvernetzung und die Standardisierung der Kom-
munikation Dreh- und Angelpunkt in der Entwicklung der Ladeinfrastruktur sind. Eine Vernetzung der
bestehenden Ladeinfrastruktur durch E-Roaming und einheitliche Kommunikationsprotokolle sowie
die damit verbundene Vereinfachung für den Nutzer haben sich als wichtige Bereiche für öffentliche
Ladeinfrastruktur herausgestellt.
Das Konzept ist durch die definierten Schnittstellen klar abgegrenzt und bezieht sich auf öffentliche
Ladeinfrastruktur, die durch das heutige Mobilitätsverhalten bestimmt ist. Dieses ist durch den Besitz
eines eigenen Fahrzeuges geprägt („automobile Selbstbeweglichkeit“114). In Zukunft ist es durchaus
möglich, dass sich eine Änderung dieses Verhaltens, hin zu einem System, in dem nicht der Besitz,
sondern das Teilen des Fahrzeuges im Vordergrund steht, vollzieht („Nutzen statt besitzen“115). Ge-
rade in urbanen Ballungsgebieten haben Carsharing-, Micro-Mobility- und multimodale Konzepte
Vorteile und können Stärken ausspielen. Je nach Situation und Bedarf werden hierbei unterschiedli-
che Verkehrsmittel genutzt. Vor allem in den heute jüngeren Bevölkerungsgruppen nimmt dieses
Verhalten, unterstützt durch ein steigendes Umweltbewusstsein, zu. Heute sind es oftmals die EVUs
und Kommunen, die die öffentliche Infrastruktur aufbauen. In Zukunft könnte, bedingt durch diesen
Mobilitätswandel, diese Rolle auch an Unternehmen wie beispielsweise Carsharingbetreiber fallen.
Es bleibt zu prüfen, wie der Hochlauf der Elektromobilität Geschäftsmodelle und Marktpositionen
beeinflusst, um eine angemessene Zahl an Ladestationen vorhersagen zu können. Die Aussagen über
die benötigte Anzahl an Ladepunkten sind von Institution zu Institution unterschiedlich. Aussagekräf-
tige Abschätzungen des bedarfsgerechten Ausbaus der Ladeinfrastruktur in den einzelnen Mitglieds-
staaten sind jedoch für das Erstellen nationaler Entwicklungspläne wichtig.
Auf technischer Ebene werden zukünftig auch für die öffentliche Ladeinfrastruktur induktive Ladesys-
teme marktreif sein (siehe Kapitel 2.2). Durch die wesentlich komfortablere Bedienung im Vergleich
zu kabelgebundenen Systemen werden diese sicher ein Konkurrenzsystem. Die Leistungserhöhung
und gleichzeitige Kostenreduzierung (z.B. durch Skaleneffekte oder Systemvereinfachung) sind je-
doch wichtige Entwicklungsschwerpunkte dieser Systeme.
114
(Jochem, et al., 2012) S.29 115
Ebd. S.23
77
Auch die fahrzeugseitige Batterieentwicklung hat Auswirkungen auf den Ladeinfrastrukturaufbau.
Höhere Energiedichten und höhere zulässige Ladeleistungen reduzieren den Bedarf an öffentlichen
Ladesäulen.
Das hier von technischer Seite aufgezeigte Konzept, bedarf im nächsten Schritt einer ausführlichen
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung, um die Marktfähigkeit zu überprüfen.
Elektromobilität ist in einem nachhaltigen Verkehrssystem nicht isoliert zu betrachten. Nicht außer
Acht zu lassen sind die weiteren Technologien für eine nachhaltige Mobilität, welche in diesem Kon-
zept nicht berücksichtigt wurden. Eine Festlegung auf ein einzelnes System kann Nachteile mit sich
bringen und in technologische Sackgassen führen. Daher ist eine Diversifizierung der Mobilität
durchaus sinnvoll. Brennstoffzellenfahrzeuge und gasbetriebene Verbrennungskraftmaschinen kön-
nen über Umwandlungsketten (z.B. Power to Gas) auch durch erneuerbare Energien betankt werden.
Dabei müssen Wirkungsgradunterschiede dieser Wertschöpfungsketten von Quelle bis zum Antrieb
in Wirtschaftlichkeitsanalysen berücksichtigt werden. Elektrofahrzeuge sind zurzeit teuer in der An-
schaffung und günstig im Betrieb. Die wirtschaftliche Darstellung ist also über hohe Laufleistungen
möglich. PHEVs haben dabei noch Vorteile gegenüber BEVs, und werden in den nächsten Jahren vo-
raussichtlich höhere Marktanteile haben. FCEVs bieten sich für hohe jährliche Fahrleistungen an.
Dieser Bereich ist mit hohen Umwelt- und Ressourcenauswirkungen ein großer Hebel.
Die unterschiedlichen Technologien müssen entsprechend ihrer Stärken eingesetzt und kombiniert
werden, die Wahrscheinlichkeit, dass verschiedene Antriebssysteme unterschiedliche Marktsegmen-
te ansprechen ist hoch.116
116
(Jochem, et al., 2012) S.75
78
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84
Anhang
A1: EURELECTRIC-Tabelle – Vergleich von Netzparametern in der EU
85
86
A2: Morphologischer Kasten
87
A3: Bewertungstabelle Teil 1
88
A4: Bewertungstabelle Teil 2
89
A5: Bewertungstabelle Teil 3
90
A6: CIGRE Referenznetz
91
A7: E-Roaming Schemata
92
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