Von Jeremy Cook
Jeden Tag fahren Millionen von Amerikanern kurze Strecken, die fast jedes Elektrofahrzeug problemlos bewältigen kann. Sie schließen Ihr Auto nachts an und am nächsten Morgen ist es einsatzbereit. Was aber, wenn Sie vergessen, es anzuschließen? Oder wenn Sie eine Fahrt von 900 Kilometern vor sich haben? Bedeutet das, dass Sie auf die Reise verzichten, ein anderes Fahrzeug mieten oder vielleicht riskieren müssen, am Straßenrand festzusitzen?
Um solche Situationen zu vermeiden – und die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen zu fördern –, ist eine robuste Ladeinfrastruktur erforderlich, einschließlich Hochstrom-DC-Schnellladestationen, an denen die Batterie eines E-Autos in wenigen Minuten anstatt in mehreren Stunden „aufgeladen“ werden kann. Diese Stationen sollten in angemessenen Abständen und an den richtigen Stellen vorgesehen werden, damit die Fahrer die Freiheit haben, dann anzuhalten, wenn es ihnen passt, und ihre Fahrten nicht nach der verfügbaren Ladeinfrastruktur planen müssen.
Schätzungen zur Zukunft der Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge
Nach dem Bericht für das 2. Quartal 2023 des US-amerikanischen National Renewable Energy Laboratory (NREL) waren im Juni 2023 in den USA 3,8 Millionen Elektrofahrzeuge unterwegs. Es gibt 14.244 öffentliche DC-Schnellladesäulen (definiert mit einer Leistungsabgabekapazität von 150 kW oder mehr) und 114.470 öffentliche AC-Ladesäulen Level 2. Dies entspricht 0,4 DC-Schnellladesäulen und 3,0 Level-2-Ladesäulen pro 100 Elektrofahrzeugen.
Schätzungen im selben Bericht zufolge werden 2030 in den USA 33 Millionen E-Autos auf den Straßen fahren und pro 100 Elektrofahrzeugen 0,6 öffentliche DC-Schnellladesäulen und 3,2 öffentliche Level-2-Ladesäulen erforderlich sein. Der Bericht beziffert den Bedarf auf insgesamt 182.000 DC-Ladesäulen und 1.067.000 Level-2-Ladesäulen – ein Anstieg von weit über einer Million.
Ausbau der Infrastruktur für Ladestationen
Die öffentliche Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge lässt sich in zwei grundlegende Typen unterteilen: Langzeitladestationen (oft über Nacht) und Kurzzeitladestationen zum Aufladen der Batterien vor der Weiterfahrt.
Eine langsamere AC-Ladeinfrastruktur ist recht einfach, da sie nicht viel mehr als einen robusten Stecker und eine ordnungsgemäße Installation erfordert. Sie ist für Szenarien wie Hotelübernachtungen oder Parkhäuser am Arbeitsplatz geeignet. Private Unternehmen haben einen natürlichen Anreiz, diese Infrastruktur auszubauen. Das Laden vor Ort lädt ein, Zeit in einer Einrichtung zu verbringen. Das Laden mit Wechselstrom beschränkt jedoch die Reichweite eines Elektrofahrzeugs auf weniger als 480 Kilometer pro Tag.
Die Infrastruktur für DC-Schnellladestationen, an denen Fahrzeuge in wenigen Minuten vollständig aufgeladen werden können, ist komplizierter als ihr Pendant für Wechselstrom. Die Energieversorgung in diesem Szenario erfordert die Umwandlung von AC-Netzstrom in Hochleistungs-Gleichstrom, bevor er in das Fahrzeug eingespeist wird.
Ein robustes Energiemanagement mit Umwandlung kann durch Technologien wie Transistoren auf Siliziumkarbidbasis erleichtert werden. Stromsensoren werden auch benötigt, um zu berücksichtigen, wie viel Energie während des Ladevorgangs in ein Fahrzeug übertragen wird. Um das gesamte Stromnetz und das Ladenetz mit optimaler Kapazität zu betreiben, sind sowohl lokale als auch cloudbasierte Rechenressourcen erforderlich.
Grundlegende Anforderungen an die Strom- und EVSE-Infrastruktur
Die Installation geeigneter Versorgungseinrichtungen für Elektrofahrzeuge (Electric Vehicle Supply Equipment, EVSE) (d. h. Ladestationen) ist eine gewaltige Aufgabe. Was vielleicht noch wichtiger ist, ist die zugrunde liegende Netzinfrastruktur, die diese Stationen mit Strom versorgt, zusammen mit der Fülle von elektrischen Geräten, die wir heute weitgehend als selbstverständlich ansehen.
Wenn alle vorgeschlagenen 182.000 DC-EVSE-Ladesäulen zusammen mit 350 kW laden (der hohe Wert, der für DC-Ladesäulen genannt wird, eine Zahl, die in Zukunft wahrscheinlich steigen wird), würde dies eine elektrische Last von 63,7 Gigawatt (GW) erzeugen. Rechnet man 1.067.000 Level-2-Ladesäulen mit jeweils bis zu 19 kW hinzu, kommt man auf zusätzliche 20,3 GW. Zusammengenommen ergibt das eine theoretische Leistungsaufnahme von insgesamt 84 GW.
Auch wenn es nahezu unmöglich ist, dass alle Ladesäulen gleichzeitig Energie liefern, so stellt doch selbst ein Bruchteil von 84 GW einen bedeutenden Prozentsatz der gesamten Energieerzeugungskapazität von rund 1.200 GW dar, über die das Land heute verfügt. Um diese größere Belastung zu bewältigen, muss die bestehende Infrastruktur aufgerüstet werden. Gleichzeitig können vernetzte Elektrofahrzeuge auch als Zwei-Wege-Batterie-Backup genutzt werden. Bei sorgfältiger Planung könnte die schnelle Einführung von Elektrofahrzeugen also auch Vorteile für die Infrastruktur mit sich bringen.
Neben dem Strom und der entsprechenden Elektronik benötigen die Fahrer natürlich auch den richtigen Stecker und das richtige Ladeprotokoll für die Verbindung zwischen ihrem Fahrzeug und der EVSE. An dieser Front gibt es eine fantastische Entwicklung.
Die gute Nachricht: Tesla-NACS-Kompatibilität
Die oben genannten NREL-Zahlen beinhalten Tesla-Vorrichtungen, die 61,6 % der öffentlichen DC-Schnellladesäulen und 8,7 % der öffentlichen Level-2-Ladesäulen bereitstellen. Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Dokuments sind diese Ladesäulen für andere E-Auto-Hersteller noch nicht verfügbar.
Im Mai 2023 kündigte Ford jedoch an, dass seine Elektrofahrzeuge ab 2025 mit einem Tesla-NACS-Anschluss (North American Charging Standard) ausgestattet sein werden. Das bedeutet, dass die Elektrofahrzeuge von Ford das Supercharger-Netzwerk von Tesla ohne Adapter nutzen können. Dieser (vielleicht offensichtliche) Schritt löste einen regelrechten Ansturm anderer Hersteller aus, die ihre zukünftige NACS-Kompatibilität ankündigten. Dazu gehören bekannte Automarken wie GM und Volvo, aber auch neuere Hersteller von Elektrofahrzeugen wie Rivian und Fisker. Andere wie Volkswagen und Honda prüfen noch ihre Optionen ab Ende 2023.
Auf der anderen Seite übernehmen Nicht-Tesla-Ladenetzwerke wie Blink und Electrify America den NACS-Steckerstandard. Tesla öffnete seine Ladeprotokolle im November 2022. Dieser Standard fällt nun unter die Zuständigkeit von SAE International. Angesichts des massiven Trends zur Einführung von NACS sowohl in Fahrzeugen als auch in EVSE scheint eine Standardisierung unmittelbar bevorzustehen.
Die Zukunft des Ladens von Elektrofahrzeugen
Ende 2023 geht der Trend hin zu einer verstärkten Einführung von Elektrofahrzeugen und einer Standardisierung der Ladeinfrastruktur. Unabhängig davon, wie die Elektrifizierung aller Bereiche letztendlich Gestalt annimmt, wird in Zukunft eine weitaus robustere elektrische Infrastruktur erforderlich sein, die durch effiziente, leistungsfähige und langlebige interne Komponenten für die Stromübertragung und -nutzung unterstützt wird.
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