Im Rahmen des Projekts OptiCharge⁺– Effizienzsteigerung und Optimierung einer regenerativ versorgten Ladeinfrastruktur mit Vanadium-Redox-Flow-Batterie durch nutzerorientiertes Lade- und Energiemanagement, innovative DC-Netzstruktur und Anbindung an das Internet der Dinge wird die, innerhalb des Vorgängerprojekts OptiCharge als Forschungsplattform aufgebaute, quasiautarke, regenerativ versorgte Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge um eine DC-Ladesäule mit einem CCS-Stecker als derzeitigen Standard und einen CHAdeMO-Stecker zum Laden älterer Fahrzeuge erweitert. Die Technik der Säule in Kombination mit CHAdeMO ermöglicht außerdem bidirektionales Laden bzw. Vehicle-2-Grid Anwendungen und bietet damit Möglichkeiten für weitere spannende Anschlussprojekte. Die beiden DC-Ladepunkte ergänzen die bislang vorhandene Ladeinfrastruktur, bestehend aus 3 AC‑Schnelllademöglichkeiten mit Typ 2 Anschluss und einer Anschlussmöglichkeit für einen SchuKo‑Stecker (CEE7/4). Die DC-Ladesäule ist Bestandteil eines innovativen Gleichstrom‑Micro Grids, zusammen mit der PV-Anlage und der Vanadium-Redox-Flow-Batterie (VRFB). Durch DC-Anbindung der Komponenten spart man sich jeweils eine Wandlerstufe und damit die Wandlungsverluste die sonst zwischen der Umwandlung von Gleich- nach Wechselspannung auftreten würden. Durch die höhere Spannung, bzw. durch die daraus resultierenden kleineren Ströme im DC-Netz wird außerdem die Verlustleistung reduziert. Zudem sind alle Komponenten im Batteriecontainer untergebracht, wodurch sich eine hochintegrierte und platzsparende Gesamtanlage realisieren lässt. Abbildung 1 zeigt die Forschungsplattform schematisch.

Unter dem Punkt Effizienzverbesserung lassen sich auch die Arbeiten an der Vanadium-Redox-Flow-Batterie zusammenfassen. Durch intelligente Regelungsstrategien, die Implementierung von Energiespar-Modi und dem Einsatz verbesserter Anlagenkomponenten soll vor allem der im Vergleich zu anderen Batterietypen hohe Eigenverbrauch und die schlechtere Energieeffizienz deutlich verbessert werden, ohne die Kostenvorteile bezogen auf den Energiegehalt und die allgemeinen Vorteile wie die sehr hohe Lebensdauer des Elektrolyts oder die Eigensicherheit diesen Batterietyps zu verschlechtern. Diese Bestrebungen werden innerhalb von OptiCharge⁺ außerdem durch Grundlagenforschung auf der elektrochemischen Ebene unterstützt. Das Thema Effizienz wird auch von den Komponenten Energiemanagementsystem (EMS), der Kernkomponenten des Lademanagements (LMS) der Anlage sowie dem Netzmanagementsystem (NMS) für das Gleichstrom Micro-Grid aufgegriffen. Das NMS und das LMS, regeln die Energieflüsse im Gleichstrom Micro-Grid und sorgen gleichzeitig dafür, dass die Ladevorgänge sicher und zuverlässig durchgeführt werden. Das EMS errechnet unter Berücksichtigung aller relevanter Anlagen-, Fahrzeug- und Nutzerdaten sowie der prognostizierten Leistung der PV-Anlage als erneuerbaren Energieträger im Voraus, wann ein Fahrzeug unter optimaler Ausnutzung von regenerativ erzeugter Energie geladen werden kann. Das EMS wurde in eine Cloud ausgelagert, um die dazu kurzzeitig benötigte, hohe Rechenleistung nicht vor Ort vorhalten zu müssen und gleich­zeitig weitere Anlagen nach dem Vorbild von OptiCharge⁺ bedienen zu können. Auch die Leistungs­elektronikkomponenten im DC-Netz kommunizieren Ihre Daten an die IOT-Plattform. Diese werden dort mit dem Ziel verarbeitet, eine vorausschauende Wartung der Komponenten zu ermöglichen und damit den Nutzerkomfort und die Ausfallsicherheit der Anlage weiter zu steigern. Im VRFB Container ist weiterhin eine Unterbrechungsfrei Stromversorgung (USV) untergebracht mit deren Hilfe über die VRFB bei Netzausfall die Ladeinfrastruktur weiter versorgt werden kann. Dieser Betriebs­zustand soll vor allem im Zusammenspiel mit dem DC-Netz und der darin integrierten PV-Anlage im Rahmen des Vorhabens demonstriert werden. Ein solcher Inselbetrieb kann z.B. für die Bereitstellung von temporären Ladepunkten sowie zur Sicherstellung der Mobilität bei einem Netzausfall oder an abge­legenen Orten genutzt werden. Unter dem Punkt Nutzerkomfort wird auch ein neues Flottenmanage­mentsystem (FMS) erstellt, dass den Nutzer in die Anlage einbindet und worüber das EMS mit Informationen über geplante Fahrten versorgt wird. Das FMS soll auch an einer Großanlage eingesetzt werden, die parallel zur bestehenden Forschungsplattform aufgebaut wird und vor allem das EMS und FMS nutzt um die mittels mehreren PV-Anlagen erzeugte, regenerative Energie mit den vorhandenen Fahrzeugen zu nutzen. Zur Auslegung solcher Anlagen wird im aktuellen Vorhaben das sogenannte OptiCharge-Planungstool (OPT) entwickelt. Das OPT basiert auf den realen Anlagendaten und kommuniziert ebenfalls mit dem EMS um verschiedene Nutzungsszenarien, vom Eigenheim bis zur umfangreichen Firmenfahrzeugflotte, simulieren zu können. Durch Variation der verschiedenen Anlagenkomponenten und Einbindung weiterer (regenerativer) Energiequellen kann so die optimale Anlagenkonfiguration simuliert bzw. ermittelt werden. Die Verifikation der Simulationsergebnisse erfolgt wiederum mit den in beiden Anlagen gesammelten Realdaten.

Wenn wir Ihr Interesse geweckt haben bzw. Sie eine regenerativ versorgte, quasiautarke Ladeinfrastruktur für Ihr Unternehmen oder auch privat planen, nehmen Sie gern Kontakt mit uns auf.

IZES gGmbH, Altenkesseler Str. 17, Geb. A1, 66115 Saarbrücken
Stephan Schulte, schulte@izes.de; Dr. Bodo Groß, gross@izes.de

Weitere aktuelle Informationen zum Vorhaben finden Sie außerdem auf unser Homepage unter www.projekt-opticharge.de.

Die weiteren Projektpartner im Vorhaben sind:

TRUMPF Hüttinger GmbH und Co. KG, Bötzinger Straße 80, 79111 Freiburg
SCHMID Energy Systems, Freudenstadt, Robert-Bosch-Straße 32-36, 72250 Freudenstadt
Technische Universität Kaiserslautern, Fachgebiet für Elektromobilität,Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik, Erwin-Schrödinger-Straße 12, 67663 Kaiserslautern
Universität des Saarlandes, Transfercentre Sustainable Electrochemistry, Universität des Saarlandes, Campus DUD3,66123 Saarbrücken

Hintergrund

Das Verbundvorhaben OptiCharge⁺ folgte auf das 2015 begonnene Vorhaben OptiCharge – Optimiertes, speicher­gestütztes Lademanagement für autarke, regenerativ betriebene Stromparkplätze. Die Idee zu OptiCharge basierte ursprünglich auf der Situation, dass batterieelektrische Fahrzeuge, unter der Voraussetzung dass diese mit Strom gemäß deutschem Strommix geladen werden, eine ähnliche CO₂-Bilanz hatten wie ein sparsames Dieselfahrzeug. Der Lösungsansatz war daher, die als Poolfahrzeuge genutzten batterieelektrischen Fahrzeuge der IZES gGmbH ausschließlich mit regenerativ erzeugtem PV-Strom zu laden. Nach einem kurzen, erfolgreichen Demonstrationsprojekt, mit einer vorhandenen PV-Anlage und einer Ladesäule wurde das Konzept im größeren Maßstab umgesetzt und erprobt. Hierzu wurden vier Parkplätze mit einer PV-Anlage überdacht und mit vier Lademöglichkeiten ausgestattet. Um auch nachts oder an bewölkten Tagen regenerativ erzeugten Strom tanken zu können, wurde im Rahmen von OptiCharge auch ein Batteriespeicher eingeplant und umgesetzt. Dazu wurde eine Vanadium-Redox-Flow-Batterie eingesetzt, weil sich diese Technologie speziell für größere Anlagen in stationären Anwendungen eignet. Neben Arbeiten im Bereich der Grundlagenforschung an dem eingesetzten Batteriespeicher wurde auch ein eigenes modellprädiktives Energiemanagementsystem (EMS) im Konsortium von OptiCharge entwickelt. Das EMS ist die Kernkomponente des entwickelten Lademanagements und wird von einem Buchungssystem, einer PV-Prognose und einer umfangreichen Messdatenerfassung mit Informationen versorgt. Die Anlage wurde von Beginn an als Forschungsplattform aufgebaut und seitdem erfolgreich betrieben. Gleichzeitig wurden aber auch eine Reihe von Erweiterungs- und Optimierungsmöglichkeiten identifiziert. Rund ein Jahr nach dem Ende der Projektlaufzeit von OptiCharge konnte das Nachfolgeprojekt OptiCharge⁺ – Effizienzsteigerung und Optimierung einer regenerativ versorgten Ladeinfrastruktur mit Vanadium-Redox-Flow-Batterie durch nutzerorientiertes Lade- und Energiemanagement, innovative DC-Netzstruktur und Anbindung an das Internet der Dinge gestartet werden.