E-Autos netzdienlich im Schwarm laden - TH Köln hat eine koordinierte Steuerung von Ladevorgängen erfolgreich erprobt

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Die Umstellung des Pkw-Verkehrs auf Elektromobilität könnte die
Verteilnetze teilweise an ihre Leistungsgrenze bringen. Um eine
Überlastung zu verhindern, haben Forschende der TH Köln eine Lösung für
kommunizierende Ladestationen entwickelt. Ein Algorithmus steuert auf
Basis von Netzzustandsdaten die optimale Auslastung und berücksichtigt
dabei auch die Ladepräferenzen der Nutzenden. Die Anwendung ist in den USA
patentiert, in der EU wird sie noch geprüft.

„Wenn sich viele Haushalte in einem Wohnviertel ein Elektroauto
anschaffen, kann das Laden der Fahrzeuge zu Herausforderungen für die
Stabilität des Stromnetzes führen. Um einer Überlastung vorzubeugen, gibt
es zwei aufwendige Möglichkeiten: Zum einen der kostenintensive und
langwierige Netzausbau und zum anderen die Ausrüstung der Gebäude mit
komplexer Messtechnik, was aufgrund regulatorischer Vorgaben zudem häufig
schwierig umzusetzen ist. Wir verfolgen einen einfacheren Weg, um die
Ladevorgänge untereinander koordiniert und netzdienlich zu steuern“, sagt
Projektleiter Prof. Dr. Eberhard Waffenschmidt vom Cologne Institute for
Renewable Energy (CIRE) der Fakultät für Informations-, Medien- und
Elektrotechnik der TH Köln. „Unsere Lösung basiert auf dem Schwarm-
Prinzip.“

Die entwickelte Anwendung sammelt Messdaten von bereits in den Gebäuden
vorhandenen Ladestationen und kann auf dieser Basis den aktuellen
Netzzustand bestimmen. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung, um
Ladevorgänge so zu steuern, dass die Verteilnetze, also Kabel und
Transformatoren, nicht überlastet und die erlaubten Spannungsbänder,
sprich die obere und untere Grenze der Spannung, nicht unter- und
überschritten werden. „Unsere Lösung erfordert keine Anbindung an die
Leitwarte des Netzbetreibers. Ein zusätzliches Steuergerät, um die
verfügbare Ladeleistung zu verteilen, wird ebenfalls nicht benötigt. Wir
setzen auf eine Ladeinfrastruktur, die sich nach der Installation
selbstständig verwaltet, ohne dass eine zentrale Instanz die Kontrolle
übernimmt. Das bedeutet weniger Aufwand bei Planung und Koordinierung“,
erläutert der zweite Projektleiter Prof. Dr. Ingo Stadler vom CIRE.

Algorithmus koordiniert netzdienliche Ladevorgänge

Um die Lösung zu erproben, entwarf das Projektteam im Labor ein
Verteilnetz mit mehreren hundert Metern Kabeln sowie sechs simulierten
Haushalten, die mittels elektrotechnischen Komponenten wie
Wechselrichtern, Batterien sowie Mess- und Steuereinheiten nachgebildet
wurden. Drei Racks waren mit einer Wallbox ausgerüstet. Die Steuerung des
Systems übernahm ein Algorithmus, dessen grundlegende Funktionen im
Vorgängerprojekt entwickelt wurden.

„Unser Algorithmus kann den Netzzustand bestimmen. Dafür nutzt er
Messdaten wie die elektrische Spannung und die Stromstärke sowie
Standardlastprofile zur Ermittlung des aggregierten Stromverbrauchs von
Geräten wie Backofen oder Waschmaschine innerhalb eines Haushalts. Darauf
aufbauend verteilt das Programm freie Netzkapazitäten auf zu ladende
E-Autos. Dabei werden vorgegebene Spannungsgrenzen an allen Stellen des
Netzes eingehalten“, erklärt der wissenschaftliche Mitarbeiter André
Ulrich.

Zudem können die Besitzer*innen von Elektrofahrzeugen an den Wallboxen
wählen, bis zu welcher Uhrzeit welcher Ladestand erreicht werden soll.
Mithilfe dieser Daten sowie Informationen zur Netztopologie und zum
aktuellen Netzzustand ist der Algorithmus in der Lage, die optimale
Betriebsweise für das Gesamtsystem zu ermitteln.

Funktionserweiterung und geplanter Praxistest

In einem Folgeprojekt soll die im Labor erprobte Anwendung um ein
Energiemanagementsystem erweitert werden, um weitere steuerbare
Stromverbraucher wie beispielsweise Wärmepumpen einbeziehen zu können.
Darüber hinaus ist ein Realtest mit einem Netzbetreiber geplant.

Über das Projekt

Das Vorhaben GridMaximizer wurde von Prof. Dr. Eberhard Waffenschmidt und
Prof. Dr. Ingo Stadler vom Cologne Institute for Renewable Energy der
Fakultät für Informations-, Medien- und Elektrotechnik der TH Köln
geleitet. Zum Projektteam gehörten die wissenschaftlichen Mitarbeitenden
André Ulrich, Marcel Krämer und Sven Lorre. Die Laufzeit betrug 18 Monate.
Das Land Nordrhein-Westfalen und der Europäische Fonds für regionale
Entwicklung (EFRE) sowie in einem Vorgängerprojekt der Electronic
Components and Systems for European Leadership Joint Undertaking förderten
das Vorhaben mit über 800.000 Euro.

Die TH Köln zählt zu den innovativsten Hochschulen für Angewandte
Wissenschaften. Sie bietet Studierenden sowie Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftlern aus dem In- und Ausland ein inspirierendes Lern-,
Arbeits- und Forschungsumfeld in den Sozial-, Kultur-, Gesellschafts-,
Ingenieur- und Naturwissenschaften. Zurzeit sind über 21.000 Studierende
in etwa 95 Bachelor- und Masterstudiengängen eingeschrieben. Die TH Köln
gestaltet Soziale Innovation – mit diesem Anspruch begegnen wir den
Herausforderungen der Gesellschaft. Unser interdisziplinäres Denken und
Handeln, unsere regionalen, nationalen und internationalen Aktivitäten
machen uns in vielen Bereichen zur geschätzten Kooperationspartnerin und
Wegbereiterin.