Das Laden von Elektrofahrzeugen wird das Stromnetz nicht zerstören

Ich beschäftige mich seit 2014 mit dem Laden von Elektrofahrzeugen und habe in dieser Zeit einige zutiefst seltsame Meinungen zum Laden von Elektrofahrzeugen und den verschiedenen Arten, wie es das Stromnetz zerstören wird, gehört.

Es gibt drei Hauptklassen von Eigenheiten beim Laden von Elektrofahrzeugen; Energieprobleme, Kapazitätsprobleme und technische Probleme. Ich beginne mit dem Technischen, da es nur ein wichtiges Beispiel gibt:

In den Anfängen betrachteten Verteilungsnetzdienstanbieter (DNSPs, wie Essential Energy in NSW) unsere Verbindungsanwendungen und winkten sie meist nur als eine weitere große Last ab.

Aber hin und wieder landete der Antrag auf dem Schreibtisch von jemandem, der etwas neugieriger war und sich fragte, warum 500 kVA an einen verlassenen Parkplatz angeschlossen wurden, und sich auf die Suche nach weiteren Details machte.

Große DC-Ladegeräte haben große Gleichrichter, und jeder Elektrotechniker, der etwas drauf hat, weiß, dass (alte) Gleichrichter harmonische Verzerrungen erzeugen.

Dadurch verändert sich die Form der Wechselspannungskurve, häufig durch die Art und Weise, dass kleinere Wellen durch das Netzwerk zurückreflektiert werden, daher der harmonische Teil des Begriffs.

Anstelle einer schönen, perfekten Sinuskurve könnte etwas eine Sinuskurve bei 100 Hz statt bei 50 Hz widerspiegeln, sodass sich die Wellen manchmal addieren und manchmal subtrahieren. Das Netz wird durch die Art und Weise beeinflusst, wie das Gerät die Stromversorgung nutzt.

Das klassischste Beispiel für etwas, das harmonische Verzerrungen verursacht, ist ein billiger Haartrockner.

Bei voller Leistung zieht der Haartrockner so viel Strom wie möglich und wandelt ihn in Wärme um, wobei Motor und Heizung perfekt mit dem Stromnetz synchronisiert sind. Aber da wird es etwas heiß, also gibt es auch am Föhn eine halbe Leistung.

Um die halbe Leistung zu erreichen, schaltet dieser Schalter eine Diode in den Stromkreis, was bedeutet, dass der Trockner jetzt nur noch die halbe Sinuswelle nutzt.

Anstatt die gesamte Kurve über und unter Null zu verwenden, wird nur das Bit über Null verwendet, wie bei einer Reihe von Bremsschwellen.

Wenn der Trockner nur das Positive nutzt, wohin geht dann das Negative?

Zurück ins Netz, als harmonische Verzerrung.

Vor 50 Jahren erzeugten die einzigen großen Gleichrichter Strom für Bahn- und Straßenbahnlinien, und die Ingenieure wussten, dass sie Vorkehrungen treffen mussten, um diese zu verwalten.

Normalerweise würden sie versuchen, die Oberwellen mithilfe eines Transformators zu isolieren, der diese seltsameren Kanten dämpft und die Kurve zwischen den Spulen transformiert.

Die Zugvorräte sind überschaubar, da es sich um große, dedizierte Standorte mit allem technischen Schnickschnack handelt.

Was wird passieren, wenn überall große Gleichrichter eingesetzt werden? Wird das die Sinuskurve für alle anderen vergiften?

Glücklicherweise sind die Hersteller von Ladegeräten mit diesem Problem konfrontiert und haben Korrekturen und Tests implementiert, um ihre Leistung bei harmonischer Verzerrung zu zeigen.

Normalerweise handelt es sich um ein sich selbst lösendes Problem. Wenn der große Gleichrichter durch einen Transformator, beispielsweise einen speziellen 500-kVA-Verteilungstransformator, vom Rest des Netzes getrennt ist, bleibt die Verzerrung weitgehend auf diesen kleinen Teil des Netzes beschränkt und stellt für andere Benutzer kein Problem dar.

Einige Hersteller integrieren in die Konstruktion ihrer Ladegeräte einen Trenntransformator, der von jedem potenziellen Verteilungstransformator getrennt ist. Und alle führen jetzt standardmäßig „Total Harmonic Distortion“-Tests durch und können Berichte mit der Aussage „THD<5 %“ ausstellen, falls jemand anfangen sollte, Fragen zu stellen.

Aber ich denke, die Branche hat dies parallel eingeholt, da mir seit einigen Jahren keine THD-Fragen mehr gestellt wurden.

„Wo soll dieser ganze Strom herkommen? Wir müssen die Erzeugung vervierfachen! Und es ist sowieso alles Kohle!“

Beginnen wir mit der Kohle: Ja, es ist ein Problem, dass wir immer noch viel Strom aus Kohle erzeugen, aber wir können es parallel zur Einführung von Elektrofahrzeugen lösen, indem wir für unseren Strom auf saubere Energie umsteigen.

Selbst mit der aktuellen Energietechnologie sind Elektrofahrzeuge ein besseres Ergebnis für das Klima und werden mit der Zeit immer besser.

Für mich ist die Goldstandard-Studie dazu die von Auke Hoekstra, die in diesem RenewEconomy-Artikel hilfreich zusammengefasst und verlinkt ist.

Wie viel Strom braucht ein Elektrofahrzeug? In Australien beträgt die durchschnittliche tägliche Autofahrt etwa 40 km, etwa 15.000 km pro Jahr, verteilt auf 365 Tage.

Angenommen, 20 kWh/100 km für ein Elektrofahrzeug scheinen ungefähr richtig zu sein, das ist seit 5 Jahren meine Faustregel, sodass Ihr Elektrofahrzeug etwa 8 kWh pro Tag benötigt, um 40 km zu fahren.

Das durchschnittliche australische Haus verbraucht etwa 20 kWh/Tag. Wenn man also 8 kWh zu einem Hausverbrauch hinzufügt, erhöht sich dieser um etwa 40 %. Kein Vielfaches der normalen Hausnutzung, eine Steigerung um 40 %.

Woher wird diese Energie kommen? Das Netz, aber wir müssen sicherstellen, dass es sauberer Strom ist.

Fahrer von Elektrofahrzeugen können sicherstellen, dass ihr Strom sauber ist, indem sie Solarenergie hinzufügen und zum richtigen Zeitpunkt einstecken. Um in Australien 8 kWh/Tag zu liefern, sind nur 2 kW Solarenergie erforderlich, plus weitere 5, um die Hauslast zu decken.

Diese schöne Grafik von APVI zeigt, dass die durchschnittliche Haushaltsanlage in Australien mittlerweile über 8 kW verfügt. Ich werte das als Beweis dafür, dass die Hinzufügung von ausreichend Solarenergie zur Deckung der Haus- und Autolast machbar und ziemlich praktisch ist. Das haben wir getan.

Solarenergie und das Aufladen zu Hause werden für manche Menschen schwierig sein, insbesondere für diejenigen, die zur Miete wohnen, in Wohnungen wohnen oder in einer dieser Albtraumstraßen in Sydney, wo man dort parkt, wo man einen Platz findet, und das kann 6 km von zu Hause entfernt sein.

Diese Leute werden auf öffentliche Ladestationen angewiesen sein, und wie sauber ihr Strom ist, hängt von den Beschaffungspraktiken derjenigen ab, die das Netz betreiben.

Ich arbeite bei Chargefox, Australiens größtem öffentlichen Ladenetzwerk, und wir arbeiten hart daran, sicherzustellen, dass der gesamte Strom, den wir kaufen, sauberer Strom ist.

Als ich bei Tesla AU gearbeitet habe, haben sie dasselbe getan, und ich höre, dass andere Netzwerke, die in Australien aufbauen, dasselbe tun.

Was die Energie betrifft: Ja, wir können den zusätzlichen Strom liefern, und ja, es kann sauberer Strom sein. Es gibt noch viel zu tun, aber es gibt klare Wege, um dorthin zu gelangen.

Diese sind für Laien wahrscheinlich am schwierigsten zu verstehen, da Kapazitätsprobleme zeitabhängig sind und überall auftreten können.

Ich habe im Battery Post ausführlich über Kapazitätsprobleme gesprochen, aber ich werde es hier zusammenfassen.

Kapazitätsprobleme treten überall im Stromnetz auf, wo zu viel Strom fließen soll. Sie können in der Schaltanlage zu Hause auftreten, wenn Sie versuchen, den Trockner, den Ofen und das Bügeleisen gleichzeitig zu betreiben.

Sie können in Umspannwerken im Vorortmaßstab auftreten, wenn jedes Haus im Vorort versucht, Solarenergie zurück ins Netz zu pumpen, was im Umkehrschluss die Kapazität überschreitet.

Das Wichtigste, woran man sich hier erinnern sollte, und das bringt uns zurück zu unserem Freund vom Anfang, ist, dass Ladegeräte für Elektrofahrzeuge nur eine weitere elektrische Last sind. Sie sind nichts Besonderes.

Es ist so, als würde man eine neue Klimaanlage oder einen neuen Warmwasserbereiter installieren. Es ist eine Sache, die Strom verbraucht und einem System hinzugefügt wird, das von Grund auf darauf ausgelegt ist, neue Dinge hinzuzufügen, ohne es zu zerstören.

Über Kapazitätsprobleme und deren Bewältigung gibt es einiges zu klären, also beginnen wir auf der Hausebene.

Angenommen, Sie kaufen einen schönen gebrauchten Leaf 2014 und möchten zu Hause ein Ladegerät installieren. Sie rufen einen Elektriker und bitten ihn, das Ladegerät zu installieren.

Die Vollzeitbeschäftigung des Elektrikers besteht darin, neue Stromgeräte anzuschließen und sicherzustellen, dass dabei nichts kaputt geht.

Wenn sie das Ladegerät bei Ihnen zu Hause installieren, stellen sie sicher, dass die Summe der potenziellen Lasten in Ihrer Schaltanlage die Kapazität der Schaltanlage nicht überschreitet.

Und wenn etwas schief geht, jemand drei Heizgeräte an einen einzigen Stromanschluss anschließt, wird der Stromkreis, der zu viel Strom zieht, abgeschaltet, wodurch der Bedarf unterbrochen und die Schaltanlage geschützt wird.

Was aber, wenn jeder in einer Straße ein Ladegerät installiert und jedes einzelne Haus über genügend Kapazität verfügt, um seinen Anschluss voll auszunutzen?

Dies kann am örtlichen Verteiltransformator zu einem Problem werden, wovon in dem betreffenden Tweet die Rede ist.

Der Unterschied besteht jedoch darin, dass die Installation zu vieler Ladegeräte zwar einen Transformator zerstören kann, wenn keine Schutzvorrichtungen vorhanden sind, aber aus dem gleichen Grund, aus dem das Einschalten zu vieler Heizungen die Schaltanlage Ihres Hauses nicht zerstört, wird dies nicht passieren.

Der Transformator verfügt auch über Sicherungen und Schutzschalter. Wenn alles schief geht und dem Transformator zu viel abverlangt wird, mit oder ohne Ladegerät für Elektrofahrzeuge, löst der Schutzschalter aus oder die Sicherung brennt durch.

Dies geschieht nur sehr selten, da die Elektriker alle innerhalb der Grenzen arbeiten und diese Grenzen sich auf den Transformator summieren.

Aber wenn jemand einen Fehler macht, brennen nur die Sicherungen im Transformator durch, die Lebensdauer wird sich auf keinen Fall um Größenordnungen verkürzen.

Spielen Sie dies weiter und Sie werden sehen, dass es ein Problem darstellt, wenn jeder ein Ladegerät installiert und alle gleichzeitig versuchen, zu laden. Transformatoren verlassen sich auf zwei Dinge, um sicher zu bleiben; „Vielfalt“ der Lasten und thermischer Schutz von etwas Großem und Schwerem.

Transformatoren sind tatsächlich recht belastbar und können kurzzeitig mit viel mehr als ihrer Nennlast betrieben werden.

Ein 500-kVA-Transformator kann konstant 500 kVA fließen lassen und für eine Stunde oder länger einen Spitzenwert von 650 kVA erreichen, einige könnten sogar kurzzeitig 1000 kVA erreichen.

Es ist ein Hitzeproblem. Bei übermäßiger Beanspruchung wird es heiß. Die Hitze baut sich auf, bis etwas ausfällt. Aber es handelt sich um große, schwere Objekte, die normalerweise mit Öl gekühlt werden, sodass ein plötzlicher Wärmestoß absorbiert und abgeführt werden kann.

Dies gilt umso mehr, wenn der Transformator an einem Mast angebracht ist und es ein kalter Tag ist.

Die Vielfalt der Lasten ist der Grad, in dem sie nicht zusammenfallen.

Angenommen, Sie haben in Ihrem Haus potenzielle Lasten von 100 A, aber Sie betreiben nie alle gleichzeitig. Der höchste Wert, den Sie jemals gefordert haben, ist vielleicht 50 A.

Man könnte sagen, Sie haben eine Diversität von 50 %. Lokale Verteilungsnetze basieren auf der gleichen Theorie, dass es sehr unwahrscheinlich ist, dass alle gleichzeitig genug Last nutzen, um den Transformator zu testen.

Und wenn doch einmal etwas passiert, fallen die Sicherungen aus, nicht der Transformator.

Dies ist eine unbefriedigende Managementstrategie, die sich auf Sicherungen verlässt, um Transformatoren einzusparen. Daher kommen neue Technologien auf den Markt, um dies zu bewältigen. Es besteht die Gefahr, dass jedes Haus auf der Straße gleichzeitig an die Steckdose angeschlossen wird und der Transformator kaputt geht.

Wie können wir das besser hinbekommen?

Mit Smart Charging können fast alle Kapazitätsprobleme beim Laden von Elektrofahrzeugen gelöst werden, die ich gesehen habe.

Das Problem, dass zu viele Ladegeräte an einem Stromkreis angeschlossen sind, tritt bereits in einigen Gewerbegebäuden auf und ähnelt dem gleichzeitigen Einschalten zu vieler Häuser auf einer Straße, aber es ist die Schaltanlage des Gebäudes und nicht der örtliche Transformator gefährdet.

Intelligentes Laden basiert auf der Tatsache, dass Kapazitätsprobleme in der Regel nur von kurzer Dauer sind. Wenn Sie also eine Ladung für eine Weile aufschieben können, ist es wahrscheinlich, dass Sie den Stau vermeiden können.

Im Vorortmaßstab bedeutet das, dass das Laden von Elektrofahrzeugen bis nach 19 Uhr verschoben werden muss, was einfach ist. Autos stehen in der Regel 12 Stunden lang still und benötigen nur wenige Stunden, um vollständig aufgeladen zu werden.

Durch die Verwendung von Ladegeräten für Elektrofahrzeuge mit Internetverbindung ist es möglich, alle Ladegeräte gemeinsam zu orchestrieren und sicherzustellen, dass sie nicht alle gleichzeitig Strom verbrauchen.

Ladegeräte verfügen über ein Sprachprotokoll, das es ermöglicht, ihre Leistung mit standardisierten Befehlen hoch- und runterzuregeln.

Ein intelligentes Ladesystem misst also den Bedarf an der Schalttafel und schaltet dann die Ladegeräte hoch oder runter, um sicherzustellen, dass die Gesamtmenge den Auslegungsgrenzwert nicht überschreitet.

Anschließend kann darüber eine weitere Smart-Schicht aufgetragen werden, um sicherzustellen, dass die Autos wie gewünscht aufgeladen werden. Vielleicht muss Auto 3 bis Mittag voll sein, aber Auto 4 kann bis 16 Uhr warten. Das alles kann das System bewältigen. Diese Systeme sind bereits im Einsatz und nutzen angeschlossene Ladegeräte für Privathaushalte und Pendlerparkplätze am Bahnhof.

Das deckt alle kleinen Ladegeräte ab, was ist mit den großen? Die riesigen innerstädtischen Ladestationen, die ein Auto in Minuten statt in Stunden aufladen können?

Alle diese Schutzmaßnahmen gelten weiterhin in größerem Umfang, es sind lediglich unterschiedliche Personen, die ihre Zustimmung erteilen.

Anstatt dass Ihr örtlicher Elektriker die Erlaubnis zum Anschluss erteilt, ist es der Netzbetreiber, der dafür sorgt, dass wir den Stromkreis nicht zu stark belasten.

Anstatt dass Ihr lokaler Verteilungstransformator überlastet wird, könnte das 11.000-V-Netz überlastet werden.

Aber aus den gleichen Gründen wird es nicht überlastet; es gibt einen starken Prozess, der neue Verbindungen kontrolliert; Es gibt eine Vielfalt an Lasten, sodass mehr angeschlossen werden kann, als gleichzeitig betrieben werden können. Sollten sie doch mal zu viel auf einmal fordern, schützen Sicherungen und Leistungsschalter die Geräte; Und wenn wir feststellen, dass wir diese Sicherheitsvorkehrungen regelmäßig treffen, können wir intelligente Lade- und Kontrollpunktmessungen anwenden.

Das ist ein langer Weg, um zu sagen, dass es zwar einige technische Herausforderungen bei der Einbindung von Elektrofahrzeugen ins Netz gibt, diese aber überwindbare Probleme sind, die mit vorhandenen Technologien und Systemen gelöst werden können.

Ladegeräte für Elektrofahrzeuge sind nur eine weitere Last, die zu einem System hinzugefügt wird, das von Grund auf neu entwickelt wurde, um neue Lasten hinzuzufügen. Elektrofahrzeuge kommen und parallel wird das Stromnetz aufgeräumt. Ich habe das Gefühl, dass ich das vor Kurzem schon öfter gesagt habe, aber:

Es funktioniert. Weitermachen.

Evan Beaver ist Lademanager bei ChargeFox. Dieser Artikel wurde zuerst auf seinem Blog veröffentlicht: EVcricket Energy. Wiedergabe mit Genehmigung.