Bidirektionales Laden: Das E-Auto als rollendes Kraftwerk
Elektroautos können einen erheblichen Beitrag zur Energiewende leisten, indem sie das Stromnetz stabilisieren. Bidirektionales Laden ist der Schlüssel dazu. Doch es gibt noch Hindernisse.
Elektroautos könnten als Pufferspeicher einen wertvollen Beitrag zur Energiewende leisten. Bidirektionales Laden heißt das Stichwort, zu Englisch: Vehicle to Grid (V2G). Das bedeutet, dass E-Autos Strom aus dem Akku zurück ins Stromnetz speisen können. Dadurch ließe sich die schwankende Netzauslastung ausgleichen. Zugleich könnte ein höherer Anteil an erneuerbaren Energien den Strommix umweltfreundlicher machen. Denn Wind und Sonne sind notorisch unzuverlässig. Sie wehen und scheinen, wie es ihnen passt. Deshalb gibt es manchmal zu wenig grünen Strom, manchmal so viel, dass er nicht eingespeist werden kann. Windräder stehen dann still, Solaranlagen werden gedrosselt.
Bidirektionales Laden macht es möglich, in Zeiten des Überschusses die Akkus von Elektroautos verstärkt zu laden. Das vermeidet Leistungsspitzen im Stromnetz. In Zeiten des Mangels können sie einen Teil der Energie wieder abgeben. Dann müssten weniger Kohle- oder Atomkraftwerke die Grundlast bereitstellen. Der Strommix wäre ökologischer. Elektroautos werden dadurch zu rollenden Kraftspeichern.
Allerdings nur in der Theorie. Tatsächlich ist es aktuell noch nicht möglich, Strom aus dem Elektroauto-Akku ins Stromnetz einzuspeisen oder auch nur ins eigene Hausnetz. Aktuell fehlen die regulatorischen Rahmenbedingungen. Die Bundesregierung hat zwar 2022 im sogenannten „Osterpaket“ einige rechtliche Hürden aus dem Weg geräumt, die es erleichtern, Elektroautos als Energiespeicher ins Netz zu integrieren. Dass das funktioniert, wurde bereits in Feldversuchen und Pilotprojekten nachgewiesen (siehe unten).
Was Du zum bidirektionalen Laden, zu Vehicle-to-Grid oder Vehicle-to-Home wissen musst und welche Autos bidirektional laden können, haben wir für Dich aufgeschrieben.
Was bedeutet bidirektionales Laden?
Die Idee des bidirektionalen Ladens von Elektroautos ist so simpel wie naheliegend. Normalerweise fließt der Strom beim Laden von der Steckdose in den Akku und wird beim Fahren verbraucht. Doch tatsächlich fahren Autos nur wenig, mehr als 90 Prozent der Zeit stehen sie (im Durchschnitt) ungenutzt herum. Dann kann der Strom beim bidirektionalen Laden auch in umgekehrter Richtung fließen, wenn das Auto an der Wallbox hängt. Das Elektroauto gibt im Akku gespeicherten Strom wieder ab. Dabei gibt es verschiedene Stufen des bidirektionalen Ladens, die sich im Zweck und in ihrer Komplexität unterscheiden.
Was heißt „Vehicle to Grid“ (V2G)?
Die umfassendste und komplizierteste Art bidirektionalen Ladens nennt man „Vehicle to Grid“ (etwa: Fahrzeug zu Netz) oder kurz V2G. Hier wird der Strom aus dem Akku wieder zurück ins Stromnetz gespeist. Dafür sind technisch die entsprechenden Voraussetzungen zu schaffen. So benötigt man zum Einspeisen von Strom ins lokale Netz, wie es von Photovoltaikanlagen bekannt ist, beispielsweise ein Netzeinspeisegerät und einen Einspeisezähler. Zudem müsste ein Einspeisemanagement vorhanden sein.
So funktioniert „Vehicle to Home“ (V2H)
Einfacher lässt sich bidirektionales Laden umsetzen, um aus dem Elektroauto-Akku den eigenen Haushalt mit Strom zu versorgen. Technisch ist dafür im Grunde nur ein Wechselrichter nötig. Denn der Strom im E-Auto wird als Gleichstrom (DC) gespeichert, im Hausnetz fließt jedoch Wechselstrom. V2H stabilisiert zwar nicht das Netz, kann Eigenheimbesitzern aber bares Geld sparen. Wer eine Photovoltaikanklage oder ein Windrad betreibt, kennt das. Für Elektroautos fehlt allerdings nach wie vor der rechtliche Rahmen, um V2H umzusetzen.
Das bedeutet „Vehicle to Load“ oder „Vehicle to Device“
Die einfachste Form des bidirektionalen Ladens wird „Vehicle to Device“ (V2D) oder „Vehicle to Load“ (V2L) genannt. Dabei wird der Strom aus der Fahrbatterie nicht ins Stromnetz gespeist, sondern er dient zum Laden oder zum Betrieb externer Verbraucher. Das können elektrische Geräte sein, E-Bikes oder ein anderes Elektroauto.
Diese Autos können bidirektional laden
Bisher dominierten asiatische Elektroauto-Hersteller das bidirektionale Laden. Was auch daran liegt, dass der vor allem in Japan übliche Chademo-Standard von Haus aus bidirektionale Ladefähigkeiten mitbringt. Neben dem Nissan Leaf kann beispielsweise der e-NV200 Strom zurückgeben. Der Plug-in-Hybrid Mitsubishi Outlander kann es ebenfalls.
Über CCS funktioniert bidirektionales Laden mit dem Honda-e sowie beim Hyundai Ioniq 5 und dem Schwestermodell Kia EV6. Bei letzteren ist für Verbraucher jedoch nur die „Vehicle to Load“-Funktion sofort nutzbar. Das Startup Sono Motors will 2023 den Sion auf den Markt bringen, der Energie mit bis zu 11 kW rückspeisen kann. VW arbeitet ebenfalls am Thema. Aktuelle VW ID.3, VW ID.4 und ID.5 haben die Fähigkeit fürs bidirektionale Laden bereits eingebaut. Hier alle aktuell bestellbaren Autos, die bidirektionales Laden beherrschen (Stand 01/2023):
Bidirektionales Laden V2H mit dem Honda-e
Der Kleinwagen Honda-e mit seinem gut 35 kWh fassenden Akku hat bidirektionales Laden per CCS von Haus aus eingebaut. Er ist sogar laut Honda als erstes Elektroauto in Europa als Stromspeicher für Vehicle-to-Grid-Anwendungen zugelassen. Endverbraucher können die Funktionalität zwar noch nicht nutzen. Aber sobald die rechtlichen Rahmenbedingungen angepasst werden, kann der Honda-e als Hausspeicher dienen.
Bidirektionales Laden bei Nissan Leaf und Nissan e-NV200
Nissan gehört zu den Pionieren des bidirektionalen Ladens. Das liegt unter anderem daran, dass die Japaner auf den Chademo-Standard als Ladeanschluss setzen. Der ist in Europa zwar weniger verbreitet als in Japan, war aber von Anfang an auf bidirektionales Laden ausgelegt. Der Nissan Leaf war entsprechend das erste Auto, das als offizieller Stromspeicher ins Netz integriert werden durfte. Die Zulassung dafür erhielt Nissan bereits 2018. Er gilt damit als sogenanntes Regelkraftwerk. Und darf theoretisch Strom ins öffentliche Stromnetz einspeisen.
Mitsubishi Outlander und Mitsubishi Eclipse Cross
Mitsubishi-Modelle wie der Outlander Plug-in-Hybrid und der Eclipse Cross PHEV mit gleicher Technik verfügen über zwei Ladeanschlüsse: Fürs Laden mit Wechselstrom (AC) gibt es eine Typ-2-Buchse. Schnelles Laden mit Gleichstrom läuft über den Chademo-Standard. Über letzteren lässt sich Strom rückspeisen. Da es sich um Plug-in-Hybride mit relativ kleiner Batterie handelt, eignen sie sich nur bedingt als Hausspeicher oder als Pufferspeicher fürs Stromnetz.
Kia EV6 und Hyundai Ioniq 5: bidirektionales Laden per CCS
Hyundai hat den Ioniq 5 auf dem Markt, das Schwestermodell Kia EV6 folgte kurz darauf. Beide sind mit CCS-Anschlüssen versehen und können bidirektional laden. Für Endverbraucher eignen sich die Autos als Energiequelle für externe Verbraucher. Die Rückspeisung erfolgt über einen optionalen Adapter, der in den Ladeanschluss gesteckt wird. Daran können Elektrogeräte per handelsüblichem Schukostecker angeschlossen werden, oder es lässt sich ein Pedelec aufladen. Echtes V2G- oder V2H-Laden erprobt Hyundai aktuell in zwei Feldversuchen in Utrecht in den Niederlanden und in Berlin (s.u.).
Renault Mégane E-Tech mit bidirektionaler Ladefähigkeit
Renault hat den kompakten Mégane E-Tech ebenfalls mit bidirektionalem Laden ausgestattet. Er ist technisch dafür vorbereitet, stellt allerdings aktuell noch kein V2L oder V2D dar.
Kann ich Haushaltsgeräte mit dem E-Auto betreiben?
Hersteller werben gerne damit, dass man Haushaltsgeräte mit Strom aus dem Elektroauto betreiben kann. Man nennt das Vehicle-to-Home (V2H). Der Strom aus der Elektroauto-Batterie wird dabei direkt ins Hausnetz eingespeist. Vor allem für Hausbesitzende, die auch Strom erzeugen, ist das schon jetzt ein realistischer Anwendungsfall. Zumal: Die Vergütung, die sie für die erzeugte Kilowattstunde Strom erhalten, sinkt stetig. Der Preis, zu dem sie Strom zurückkaufen müssen, steigt. Wer seine Eigenverbrauchsquote am selbst erzeugten Strom erhöht, spart Geld.
Bereits jetzt gibt es stationäre Stromspeicher. Mit ihnen lässt sich überschüssige Energie aus der Solar- oder Windanalage speichern. Nachts oder bei Windstille kann man den Strom dann verbrauchen. Das Elektroauto kann genauso als Pufferspeicher dienen. So ließe sich bei schlechtem Wetter die eigene Waschmaschine, der Mixer oder der Fernseher mit Strom versorgen. In der Theorie könnte ein Eigenheim komplett unabhängig vom öffentlichen Stromnetz werden.
Eine Beispielrechnung: Ein durchschnittlicher Drei-Personen-Haushalt verbraucht etwa 3000 kWh pro Jahr. Der Energieinhalt gängiger Traktionsbatterien von Elektroautos liegt je nach Modell zwischen 30 kWh und gut 100 kWh. Ein Elektroauto könnte einen Drei-Personen-Haushalt also mindestens drei Tage lang versorgen. Unter bestimmten Bedingungen sogar deutlich länger als eine Woche.
Doch es gilt weiterhin: Noch sind die regulatorischen Voraussetzungen für die Nutzung des Elektroautos als Hausspeicher nicht geschaffen. Technisch ist das zwar möglich, rechtlich handelt es sich mindestens um eine Grauzone.
Was bringt das E-Auto als Pufferspeicher der Umwelt?
Ein deutlich größerer Effekt lässt sich mit der Idee des Vehicle-to-Grid erzielen. Denn eine Herausforderung der Energiewende ist das wechselnde Wetter. Wind- und Sonnenenergie stehen nicht in konstanter Menge zur Verfügung.
Hunderte, tausende oder gar Millionen von Elektroautos könnten als Pufferspeicher für das Energiesystem dienen. Ihre Akkus werden geladen, wenn Wind- und Sonnenenergie im Überfluss vorhanden sind. Bei Flaute, Bewölkung oder Dunkelheit geben sie etwas zurück. Dadurch kann bidirektionales Laden dazu beitragen, den Anteil erneuerbarer Energien am Strommix zu erhöhen.
Das geht auch unabhängig von erneuerbaren Energiequellen. Denn wenn der Strom aus Atom, Kohle oder Gas kommt, gibt es ebenfalls große Unterschiede in der Stromnutzung. Kraftwerke lassen sich nicht einfach hoch- und herunterfahren. Entsprechend können Spitzenlastzeiten entstehen, in denen nicht der gesamte erzeugte Strom verbraucht wird. Niedriglastzeiten, in denen sonst überschüssiger Strom produziert wird, ließen sich besser überbrücken.
Der Konjunktiv ist bewusst gewählt: Aktuell gibt es in Deutschland noch kein „Vehicle to Grid“ im Serieneinsatz. Die regulatorischen Voraussetzungen existieren nicht. Lediglich in Feldversuchen wird V2G derzeit erprobt (siehe unten). Welche Effekte sich erzielen lassen, lässt sich jedoch abschätzen. Das Mainzer Start-up LADE, das Ladeinfrastrukturlösungen anbietet, hat dafür einen Simulator entwickelt, der auf Echtzeitdaten zum Strommix zugreift. Hier lässt sich über Schieberegler der Ausbau Erneuerbarer Energien und die Zahl der Elektroautos variieren, die für V2G zur Verfügung stehen. Der Simulator zeigt sodann an, wie sich dadurch der Strommix verändert und welche Einsparungen an CO2 und an Kosten für die Stromerzeugung möglich sind. Wie LADE-Chef Dennis Schulmeyer dem Fachmagazin Vision-Mobility sagte, ließen sich „mit den Batterien von Elektroautos schon 2030 so gut wie alle Peaks wegspeichern“.
Was für eine Wallbox braucht man fürs bidirektionale Laden?
Das Haus lässt sich, anders als das Elektrofahrrad, nicht einfach per Steckdose mit Strom versorgen. Es braucht mehr für echtes V2H, V2B (Vehicle to Building) oder V2G. Mindestens ist eine Wallbox für bidirektionales Laden nötig. Modelle für den industriellen Einsatz gibt es bereits, für den Privateinsatz ist das Angebot dünn. Und die Preise hoch. Evtec aus der Schweiz ist einer der ersten Hersteller, der verschiedene Modelle mit CCS oder mit Chademo im Angebot hat. Wallbox hat ein Modell angekündigt, Modelle von Kostal befinden sich in Pilotprojekten im Einsatz, ambibox nimmt Reservierungen entgegen. Sono Motors hat ebenfalls eine bidirektionale Wallbox angekündigt, die 2023 auf den Markt kommen soll.
Forschungsprojekte zu V2H, V2B und V2G: der Status quo 2023
Weltweit arbeiten viele Wissenschaftler und Ingenieure an V2G-Projekten zum bidirektionalen Laden. Die meisten befinden sich im Versuchsstadium, manche sind bereits abgeschlossen.
Einer der größten Feldversuche in Deutschland wurde 2019 gestartet. Neben der Forschungsstelle Energiewirtschaft sind weitere Partner aus Wirtschaft und Wissenschaft am Forschungsprojekt „Bidirektionales Lademanagement – BDL“ beteiligt, darunter BMW. Träger ist das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Im Juli 2021 wurden 50 BMW i3 an Kunden übergeben. Auch sie testen zunächst die V2H-Seite des bidirektionalen Ladens. V2G kommt in einem späteren Schritt. Ähnliche sieht es bei Audi aus, wo man mit der Firma Hager und einem Audi E-Tron am bidirektionalen Laden arbeitet.
Schon etwas weiter ist Nissan. Im Rahmen eines Projekts namens „i-rEzEPT“ erhielten ab Oktober 2020 13 Eigenheimbesitzer mit vorhandener Solaranlage einen Nissan Leaf und eine passende Ladestation. Die Leaf erhöhen als mobile Energiespeicher den Eigenstromanteil der Projektteilnehmer. Die gesammelten Daten werden analysiert, um das Potenzial eines V2G-Konzepts auszuloten. Ein gewerbliches Projekt, bei dem mehrere Leaf Stromspitzen im Netz des lokalen Energieversorgers abpuffern, wurde bereits 2016 in Dänemark gestartet.
Hyundai erprobt in zwei Pilotprojekten die V2X-Technologie. In Berlin führt Hyundai CRADLE (Centre for Robotic-Augmented Design in Living Experiences) das Projekt durch. Dort kommen mehrere softwareseitig modifizierte Ioniq 5 innerhalb eines geschlossenen Stromnetzes zum Einsatz. Sie sollen Erfahrungen liefern, wie sich der Strom mit dem Haus teilen lässt (Vehicel to home: V2H). In Utrecht wird zunächst eine Flotte von 25 Ioniq 5 fürs Carsharing eingesetzt. Künftig sollen sie über die vom Carsharinganbieter „We drive Solar“ entwickelten bidirektionalen Ladesäulen ans Netz angeschlossen werden. Aktuell ist der Onboard-Lader des Ioniq 5 noch nicht voll V2G-fähig. Er soll jedoch entsprechend nachgerüstet werden. Zudem will Hyundai bald ein neues Elektroauto vorstellen, das ab Werk über V2G-Technologie verfügt.
In der Schweiz setzt Honda unterdessen in dem Pilotversuch V2X Suisse 50 Honda-e in einer Carsharing-Flotte ein. Dazu stellt Honda 35 sogenannte Power-Manager-Einheiten an verschiedenen Standorten auf. Dort können die E-Autos, wenn sie nicht fürs Carsharing genutzt werden, Strom ins Netz einspeisen. Ein weiteres Pilotprojekt mit Next Kraftwerke wurde im November 2022 abgeschlossen und endete mit der Zertifizierung des Honda-e.
Lässt sich mit dem Elektroauto-Strom Geld verdienen?
Die wenigen Anbieter, die Wallboxen fürs bidirektionale Laden im Programm haben, bewerben sie zum Teil mit der Aussicht, bares Geld per V2G und V2H zu sparen. Aktuell ist das in Deutschland noch nicht möglich, weil die regulatorischen Voraussetzungen fehlen. Traktionsbatterien sind nicht dafür freigegeben, Energie ins Netz zu speisen. Mit einer Novelle des Energiewirtschaftsgesetzes soll das künftig allerdings leichter werden.
Welche Probleme gibt es bei Vehicle-to-Grid?
Abgesehen davon, dass aktuell noch die regulatorischen Voraussetzungen für die V2G-Nutzung fehlen, gibt es weitere Probleme. Zum Beispiel die Kosten. Da die Energie im Elektroauto in Form von Gleichstrom (DC) gespeichert wird, das Netz aber Wechselstrom braucht, muss die Technik angepasst werden. Entweder müssen die Autos also Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln, oder die Ladestationen oder Wallboxen müssen es. Das geht und wird bereits praktiziert, kostet aber Geld. Die von Sono Motors angekündigte Wallbox soll auch deshalb günstiger werden als andere, weil sie mit Wechselstrom arbeitet. Die Umwandlung in Gleichstrom passiert beim Sion im Auto.
Zudem kollidieren die Nutzungsgewohnheiten von Elektroautos mit der V2G- oder V2H-Idee. Die meisten E-Autos fahren tagsüber und stehen nachts. Allerdings wird nachts vergleichsweise wenig Strom benötigt, während tagsüber viel Energie produziert wird, vor allem aus erneuerbaren Quellen. Wenn der Puffer gebraucht wird, hängt er also eher weniger am Netz, wenn er am Netz hängt, wird er eher weniger gebraucht.
Dazu gesellt sich ein weiteres technisches Problem: Häufiges Laden und Entladen strapaziert die Zellen im Akku. Dadurch verkürzt sich dessen Lebensdauer. Zwar lassen sich die negativen Effekte in Grenzen halten, indem nur ein bestimmter Teil der Akkuladung für V2H oder V2G genutzt wird. Bei intensiver Nutzung als Pufferspeicher könnten Akkus aber dennoch vor der Zeit an Saft und Kraft verlieren.
Fazit:
Bidirektionales Laden, Vehicle-to-Grid und Vehicle-to-Home sind eine feine Idee. Elektroautos könnten dadurch ganz direkt zu einem grüneren Strommix beitragen und mittelbar die eigene CO2-Bilanz verbessern. Allerdings dürfte bidirektionales Laden im Alltag noch einige Jahre auf sich warten lassen. Zu viele technische, strukturelle und regulatorische Hürden müssen noch überwunden werden.
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