Industrielle Gleichstromnetze können erneuerbare Energie, Produktionsanlagen und elektrische Speicher miteinander verbinden, ohne dass zwischen Gleich- und Wechselspannung mehrfach gewandelt werden muss. Das Projekt „DCI4Charge“ greift diesen Ansatz auf und erweitert ihn um die Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge. Die Fahrzeugbatterien werden damit zu einem flexiblen Bestandteil des betrieblichen Energiesystems. Als Anwendungsumgebung diente unter anderem der „DC Innovation Hub“ in der Weidmüller Akademie in Detmold. Dort betreibt das Unternehmen bereits ein Gleichstromnetz zur Einbindung erneuerbarer Energiequellen. Im Projekt wurde untersucht, wie sich zusätzlich Elektrofahrzeuge für die Speicherung und Bereitstellung von Energie nutzen lassen.
Mehr Energieeffizienz im Gleichstromnetz
Klassische Ladestationen beziehen ihre Energie in der Regel aus einem Wechselstromnetz. Für die Batterieladung sind entsprechende Wandlungsprozesse erforderlich, die mit Verlusten verbunden sind. Bei einer direkten Kopplung der Ladeinfrastruktur mit einem Gleichstromnetz lassen sich Wandlungsstufen vermeiden. Das Projektteam untersuchte deshalb nicht nur die elektrische Anbindung der Fahrzeuge, sondern entwickelte auch ein softwaregestütztes Energiemanagement. Dieses berücksichtigt Erzeugung und Verbrauch ebenso wie betriebliche Anforderungen an die Fahrzeuge. Dazu gehören beispielsweise vorgegebene Mindestladezustände, damit die notwendige Mobilität erhalten bleibt.
„Wenn wir die Ladeinfrastruktur direkt an das unternehmensinterne Gleichspannungsnetz anbinden, vermeiden wir diese Umwege“, erklärt Dietmar Hölderle, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Forschungsteam Industrielle Mikronetze am Fraunhofer IPA. „Gleichzeitig können wir die Speicherkapazität der Fahrzeugbatterien als virtuelle Batterie einbinden und Verbrauchsspitzen glätten.“ Simulationen und Versuche zeigten nach Angaben der Projektpartner, dass sich Fahrzeugbatterien zur flexiblen Laststeuerung einsetzen lassen, während die Spannung im DC-Netz stabil bleibt. Energie kann beispielsweise bei hohen Strompreisen aus den Fahrzeugen in das betriebliche Netz zurückfließen oder zur Reduzierung von Lastspitzen eingesetzt werden.
Einstufige DC/DC-Wandler übernehmen die Energieübertragung
Eine zentrale technische Aufgabe bestand darin, die unterschiedlichen Spannungsniveaus von Unternehmensnetz und Fahrzeugbatterien miteinander zu verbinden. Dafür entwickelte das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB galvanisch trennende DC/DC-Wandler. Statt mehrerer Wandlerstufen setzt die entwickelte Leistungselektronik auf eine einstufige Architektur. Eine Wandlerstufe übernimmt sowohl die galvanische Trennung als auch die Anpassung der Netzspannung an die jeweils erforderliche Batteriespannung. Eine entsprechende Regelungsstrategie ermöglicht den Betrieb mit unterschiedlichen Fahrzeugklassen und einem breiten Spannungsbereich.
Nach dem Aufbau wurden die Wandler zunächst im Labor vermessen und anschließend in einem industriellen DC-Netz getestet. Untersucht wurden unter anderem Wirkungsgrad, thermisches Verhalten und Regelverhalten. Die Versuche bestätigten laut Projektpartnern einen stabilen dynamischen Betrieb und die sichere elektrische Trennung zwischen Fahrzeug und Unternehmensnetz.
Gleichstromnetz nutzt Fahrzeugbatterien flexibel
Neben der Leistungselektronik spielte die Steuerung der Energieflüsse eine wesentliche Rolle. Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA entwickelte dafür ein Simulationsmodell des Gleichstromnetzes sowie ein Energiemanagementsystem. Gemeinsam mit der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe wurde das Modell anhand verschiedener Szenarien in einem Testnetz überprüft. Die Simulationsergebnisse zeigten dabei nach Angaben der Projektpartner eine hohe Übereinstimmung mit den Messwerten aus dem Labor. Das validierte Modell kann damit auch für die Auslegung und Analyse weiterer industrieller DC-Netze eingesetzt werden. Das Energiemanagement koordiniert parallel die Lade- und Entladevorgänge der angeschlossenen Fahrzeuge. Neben den Anforderungen des Stromnetzes fließen betriebliche Vorgaben in die Steuerung ein. Dadurch lässt sich die Speicherkapazität nutzen, ohne die erforderliche Verfügbarkeit der Elektrofahrzeuge außer Acht zu lassen.
Bidirektionales Laden unterstützt flexible Energiestrategien
Die Einbindung der Fahrzeugbatterien eröffnet Unternehmen zusätzliche Möglichkeiten für ein energieflexibles Lastmanagement. Bei niedrigen Strompreisen können die Batterien geladen werden. Steigen die Preise oder treten Lastspitzen auf, lässt sich ein Teil der gespeicherten Energie wieder in das betriebliche Netz einspeisen. „Wir konnten zeigen, dass sich die Batterien gezielt für Anwendungen wie dynamische Stromtarife einsetzen lassen, etwa indem bei hohen Strompreisen Energie aus den Fahrzeugen bereitgestellt wird, ohne die Verfügbarkeit der Fahrzeuge einzuschränken“, fasst Dietmar Hölderle zusammen. Damit übernimmt die Ladeinfrastruktur eine zusätzliche Aufgabe innerhalb des Energiesystems. Elektrofahrzeuge sind nicht mehr ausschließlich Verbraucher, sondern können zeitweise als dezentrale Speicher dienen.
Gleichstromnetz verbindet Produktion, Ladeinfrastruktur und Energiemanagement
Mit dem Abschluss von „DCI4Charge“ steht ein erprobtes Konzept für die Verbindung von industriellem Gleichstromnetz, Ladeinfrastruktur und Elektrofahrzeugen zur Verfügung. Es umfasst die leistungselektronische Anbindung ebenso wie Simulation und automatisiertes Energiemanagement. Die Versuche zeigen, wie Fahrzeugbatterien in die betriebliche Energieversorgung eingebunden werden können, um Energieflüsse flexibler zu steuern, Lastspitzen abzufedern und die Energieeffizienz zu verbessern. Damit liefert das Projekt technische Grundlagen für Unternehmen, die Ladeinfrastruktur und industrielle Energieversorgung künftig stärker miteinander verknüpfen wollen.
