Intelligente PV-DC-Ladestrategie erreicht 100 % Eigenverbrauch in Pekinger Bürotest
In einer bahnbrechenden Entwicklung für die nachhaltige Integration städtischer Energiesysteme hat eine neuartige intelligente Lade-Strategie, entwickelt von Forschern des State Grid Beijing Electric Power Research Institute und der Tsinghua University, das Potenzial unter Beweis gestellt, Elektrofahrzeug-Flotten ausschließlich mit Dach-Solarenergie zu versorgen. Die Studie, durchgeführt in einem Bürogebäude in Peking, präsentiert einen wegweisenden Ansatz, um die Solarenergieerzeugung aus Photovoltaik (PV) mit der Ladeanforderung von Elektrofahrzeugen (EV) in Einklang zu bringen. Dabei wird die Abhängigkeit vom externen Stromnetz während der Tagesstunden vollständig eliminiert und die Nutzung erneuerbarer Energien erheblich gesteigert.
Während globale Städte ihren Übergang zur Klimaneutralität beschleunigen, bietet die Verschmelzung von gebäudeintegrierten erneuerbaren Energien und der Elektrifizierung des Verkehrs immense Chancen, steht aber auch vor komplexen technischen Herausforderungen gegenüber. Solarenergie ist zwar reichlich vorhanden und sauber, jedoch von Natur aus intermittierend und erreicht ihre höchste Leistung typischerweise mittags – einem Zeitpunkt, an dem der Strombedarf in Bürogebäuden moderat sein kann, die Ladeanforderung für Elektrofahrzeuge jedoch oft niedrig ist. Umgekehrt steigt die Nachfrage nach dem Laden von Elektrofahrzeugen häufig am Abend, wenn die Solarenergieerzeugung bereits eingestellt hat. Dies belastet das Stromnetz zusätzlich und erhöht die Abhängigkeit von stromerzeugenden Anlagen auf fossiler Basis. Diese zeitliche Diskrepanz war lange Zeit ein kritisches Hindernis für die Maximierung der ökologischen Vorteile des mit Solarenergie betriebenen Ladens von Elektrofahrzeugen.
Das Forschungsteam, geleitet von Yifeng Ding, Shuang Zeng, Baoqun Zhang, Liyong Wang, Chang Liu vom State Grid Beijing Electric Power Research Institute sowie Zhi Fu und Ji Zhang von der School of Architecture der Tsinghua University, hat diese Herausforderung durch eine innovative PV-Gleichstrom (PV-DC) intelligente Lade-Strategie adressiert. Ihre Arbeit, veröffentlicht in Electric Power, führt eine geordnete Lade-Strategie ein, die die Ladeleistung für Elektrofahrzeuge in Echtzeit dynamisch an die verfügbare Solarenergie und den Ladezustand der Fahrzeugbatterie anpasst. Damit werden beispiellose Niveaus an Eigenverbrauch und Netzentlastung erreicht.
Der Kern der Innovation liegt in der Verwendung der Gleichstrom-Bus-Spannung als Echtzeitsignal für die Energiebilanz. Im Gegensatz zu herkömmlichen Wechselstrom-Ladesystemen, die mehrere Stromwandlungen erfordern und oft nach festen Ladezeiten arbeiten, ermöglicht diese Gleichstrom-gekoppelte Architektur einen effizienteren und reaktionsschnelleren Energiefluss. Das System integriert Dach-PV-Module, bidirektionale Wechselstrom-/Gleichstrom-Wandler für die Netzinteraktion, Gebäudeverbraucher und intelligente Gleichstrom-Ladestationen – alle an einen gemeinsamen 375-Volt-Gleichstrom-Bus angeschlossen. Durch die Nutzung der Gleichstrom-Bus-Spannung als Steuerparameter schafft das System ein dezentralisiertes, aber dennoch koordiniertes Energiemanagement-Framework, das nur minimale Kommunikationsinfrastruktur benötigt.
Die Steuerlogik ist elegant einfach, aber äußerst effektiv. Wenn die Solarenergieerzeugung reichlich vorhanden ist, steigt die Gleichstrom-Bus-Spannung und signalisiert den Ladestationen, ihre Ausgangsleistung zu erhöhen. Umgekehrt sinkt bei abnehmender Solarleistung aufgrund von Bewölkung oder Sonnenuntergang die Bus-Spannung und veranlasst die Ladegeräte, ihren Leistungsbedarf zu reduzieren. Diese spannungsbasierte Steuerung macht komplexe Vorhersagealgorithmen oder zentralisierte Steuersysteme überflüssig und macht die Lösung sowohl robust als auch skalierbar.
Was diese Strategie auszeichnet, ist die Integration fahrzeugspezifischer Parameter in den Ladeentscheidungsprozess. Das System überwacht kontinuierlich den Ladezustand (SoC) jedes Elektrofahrzeugs und die maximal zulässige Ladeleistung. Fahrzeuge mit einem niedrigeren SoC erhalten Priorität während Zeiten begrenzter Solarenergie, um sicherzustellen, dass diejenigen, die am meisten Energie benötigen, bevorzugt behandelt werden. Diese Priorisierung wird durch einen dynamischen Leistungszuteilungs-Algorithmus erreicht, der die Ladekurve basierend auf der Bus-Spannung und dem SoC moduliert und eine faire und effiziente Verteilung der verfügbaren Solarenergie auf mehrere Fahrzeuge schafft.
Der experimentelle Aufbau wurde in einem Bürogebäude in Peking installiert und umfasste eine 20-kilowatt-peak (kWp) Dach-PV-Anlage sowie zwei 6,6-kilowatt intelligente Ladestationen. Den Mitarbeitern des Gebäudes, hauptsächlich Büroangestellte, wurde angeboten, ihre Elektrofahrzeuge während der Arbeitszeit anzuschließen, wobei das Laden kostenlos und ausschließlich mit Solarenergie erfolgen sollte. Dieses „Plug-and-Leave“-Modell eignet sich besonders gut für Ladeszenarien am Arbeitsplatz, wo Fahrzeuge über längere Zeiträume geparkt bleiben und somit ausreichend Zeit für die Ansammlung von Solarenergie und das Aufladen der Batterien vorhanden ist.
Im Verlauf der Studie wurde das System unter einer Vielzahl von Wetterbedingungen getestet, von klaren, sonnigen Tagen bis hin zu bewölkten, lichtschwachen Szenarien. An einem typischen sonnigen Tag erzeugte das PV-System 71,8 Kilowattstunden (kWh) Strom, mit einer Spitzenleistung von 13,7 kW. Während dieser Zeit wurden zwei Elektrofahrzeuge geladen und erhielten 30,6 kWh bzw. 13,9 kWh. Entscheidend ist, dass das System eine 100-prozentige Lastabdeckungsrate erreichte, was bedeutet, dass die gesamte Ladeenergie direkt aus der hauseigenen Solaranlage stammte, ohne jegliche Bezugnahme auf das externe Netz. Die überschüssige Solarenergie – immerhin 63 Prozent der Gesamterzeugung – wurde ins Netz eingespeist. Damit demonstriert das System seine Fähigkeit, nicht nur den lokalen Bedarf zu decken, sondern auch überschüssige saubere Energie an das breitere Stromnetz abzugeben.
Auch unter weniger günstigen Bedingungen schnitt das System bemerkenswert gut ab. An einem bewölkten Tag mit nur 22,1 kWh Solarenergieerzeugung gelang es der intelligenten Lade-Strategie dennoch, 100 Prozent des Ladebedarfs der Elektrofahrzeuge zu decken, ohne auf das Netz zurückzugreifen. Die Eigenverbrauchsquote der Photovoltaik erreichte 86 Prozent, und unter Berücksichtigung des geringen Energiebedarfs der Steuersysteme selbst stieg die effektive Nutzung der Solarenergie auf 94 Prozent. Diese Widerstandsfähigkeit unter variablen Wetterbedingungen unterstreicht die Robustheit der spannungsbasierten Steuerstrategie, die sich nahtlos an schnelle Änderungen der Solarleistung anpassen kann.
Um die Vorteile ihres Ansatzes zu quantifizieren, führten die Forscher eine vergleichende Analyse mit Monte-Carlo-Simulationen durch. Sie modellierten dasselbe Ladeszenario mit einer traditionellen konstanten Ladeleistung, bei der Elektrofahrzeuge ihre maximale Nennleistung (6,6 kW) unabhängig von der Solarenergieverfügbarkeit beziehen. In diesem herkömmlichen Setup erzeugte der Ladebedarf eine signifikante Morgenlastspitze, wodurch das System gezwungen war, bis zu 10,9 kW aus dem Netz zu beziehen, um den momentanen Leistungsbedarf zu decken. Gleichzeitig führte der Höhepunkt der Solarenergieerzeugung mittags, wenn die Erzeugung am höchsten war, dazu, dass die Elektrofahrzeuge bereits teilweise aufgeladen waren. Dies führte zu einer großen Menge an abgeschalteter oder ins Netz eingespeister Solarenergie. Das Ergebnis war eine Eigenverbrauchsquote der Photovoltaik von nur 43,2 Prozent und eine maximale Netz-Einspeisung von 11,5 kW.
Im krassen Gegensatz dazu erreichte die intelligente Lade-Strategie eine Eigenverbrauchsquote von 61,3 Prozent, was einer Verbesserung von 42 Prozent gegenüber der traditionellen Methode entspricht. Noch wichtiger ist, dass die maximale ins Netz eingespeiste Leistung auf nur 5,3 kW reduziert wurde, eine Senkung um 54 Prozent. Diese drastische Verringerung der Spitzenleistung ist ein entscheidender Vorteil für Netzbetreiber, da sie das Risiko von Überspannungen und Instabilitäten in Verteilungsnetzen mindert, die nicht für große, unvorhersehbare Einspeisungen verteilter Solarenergie ausgelegt sind. Indem sowohl die Bezug- als auch die Einspeiseprofile geglättet werden, verbessert das System die Netzstabilität und reduziert den Bedarf an kostspieligen Infrastruktur-Upgrade-Maßnahmen.
Die Implikationen dieser Forschung gehen weit über ein einzelnes Bürogebäude in Peking hinaus. Während weltweit städtische Gebiete mit den beiden Herausforderungen der Dekarbonisierung des Verkehrs und der Integration hoher Anteile erneuerbarer Energien kämpfen, bietet diese PV-DC-Lade-Strategie eine praktische und skalierbare Lösung. Die Technologie eignet sich besonders gut für gewerbliche und industrielle Anlagen, wo große Dachflächen für die Solarenergieerzeugung zur Verfügung stehen und Mitarbeiterparkplätze einen natürlichen Aggregationspunkt für Elektrofahrzeuge darstellen. Einkaufszentren, Logistikzentren und öffentliche Einrichtungen könnten ähnliche Systeme einführen, um sich selbst versorgende Energiesysteme zu schaffen, die die Betriebskosten und den CO2-Fußabdruck reduzieren.
Darüber hinaus unterstreicht der Erfolg dieses Projekts die Bedeutung des systemweiten Designs im Energieübergang. Anstatt Solarmodule, Elektrofahrzeuge und das Netz als separate Entitäten zu betrachten, haben die Forscher den Wert eines integrierten Ansatzes demonstriert, der die Interaktionen zwischen diesen Komponenten optimiert. Die Gleichstrom-Architektur selbst ist ein entscheidender Enabler, da sie Wandlungsverluste reduziert und die Steuerung vereinfacht. In einem herkömmlichen Wechselstrom-System muss die Gleichstromleistung der Solaranlage in Wechselstrom umgewandelt werden, um das Netz zu speisen oder Wechselstrom-Verbraucher zu versorgen, und dann wieder in Gleichstrom umgewandelt werden, um die Fahrzeugbatterie zu laden – ein Prozess, der Verluste von 10 Prozent oder mehr verursachen kann. Indem die Energie von der Erzeugung bis zum Verbrauch in Gleichstromform gehalten wird, erreicht das System eine höhere Gesamteffizienz.
Die Benutzererfahrung ist ein weiterer kritischer Faktor für den Erfolg solcher Systeme. Die „Set-it-and-forget-it“-Natur des Ladevorgangs – bei dem Fahrer ihre Fahrzeuge einfach anschließen und am Ende des Arbeitstages eine volle Ladung erhalten – beseitigt die Verhaltensbarrieren, die oft die Einführung intelligenter Lade-Technologien behindern. Es ist nicht erforderlich, dass Benutzer Ladevorgänge planen oder auf Preissignale reagieren; das System arbeitet autonom im Hintergrund und optimiert die Energienutzung, ohne dass der Fahrer eingreifen muss. Diese nahtlose Integration in den täglichen Ablauf ist für eine breite Akzeptanz unerlässlich.
Die Forschung eröffnet auch neue Möglichkeiten für zukünftige Entwicklungen. Das Team weist darauf hin, dass das aktuelle System zwar hervorragend funktioniert, aber Raum für weitere Optimierung bietet. Zum Beispiel könnte die Einbeziehung von Tageszeit-Parametern in den Steueralgorithmus helfen, das Laden gleichmäßiger über den Tag zu verteilen und Situationen zu vermeiden, in denen Fahrzeuge bereits am Mittag voll aufgeladen sind und überschüssige Solarenergie am Nachmittag ins Netz eingespeist werden muss. Außerdem könnte das System um Batteriespeicher erweitert werden, um überschüssige Solarenergie für den Einsatz in den Abendstunden oder an Tagen mit geringer Erzeugung zu speichern. Dies würde den Eigenverbrauch und die Unabhängigkeit vom Netz weiter erhöhen und näher an das Ziel eines wahrhaft netto-null Energiegebäudes heranführen.
Ein vielversprechender weiterer Ansatz ist die Integration von Fahrzeug-zu-Gebäude (V2B)-Funktionen. Während das aktuelle System auf den Energiefluss von Solar-zu-Fahrzeug (S2V) fokussiert ist, könnten zukünftige Versionen es den Elektrofahrzeugen ermöglichen, in Zeiten hoher Last zurück an das Gebäude zu entladen und so geparkte Fahrzeuge effektiv in mobile Energiespeicher zu verwandeln. Diese bidirektionale Fähigkeit würde die Resilienz des Gebäudes verbessern und zusätzliche Einnahmequellen durch die Teilnahme an Lastmanagementprogrammen schaffen.
Die wirtschaftlichen Vorteile eines solchen Systems sind ebenfalls erheblich. Durch die Reduzierung oder Eliminierung des Strombezugs für das Laden von Elektrofahrzeugen können Gebäudebesitzer erhebliche Kosteneinsparungen erzielen. Gleichzeitig können die Einnahmen aus dem Verkauf überschüssiger Solarenergie an das Netz die Wirtschaftlichkeit der Investition weiter verbessern. Da die Kosten für Solarmodule und Leistungselektronik weiter sinken, wird die Amortisationszeit für diese Systeme voraussichtlich kürzer und macht sie für Unternehmen und Institutionen zunehmend attraktiver.
Aus Sicht der Politik liefert diese Forschung wertvolle Erkenntnisse, um die Entwicklung von Vorschriften und Anreizen zu unterstützen, die integrierte Energiesysteme fördern. Regierungen und Versorger können diese Erkenntnisse nutzen, um Programme zu gestalten, die die Einführung intelligenter Ladeinfrastruktur, insbesondere im gewerblichen und öffentlichen Sektor, fördern. Standards für Gleichstrom-Mikronetze und gebäudeintegrierte Energiesysteme müssen möglicherweise aktualisiert werden, um diese neuen Technologien zu unterstützen und Interoperabilität sowie Sicherheit zu gewährleisten.
Der Erfolg dieses Projekts unterstreicht auch die Bedeutung der Zusammenarbeit zwischen Versorgungsunternehmen, akademischen Einrichtungen und der Industrie. Die Partnerschaft zwischen dem State Grid Beijing Electric Power Research Institute und der Tsinghua University ist ein Beispiel dafür, wie praktische Ingenieurskompetenz und akademische Forschung zusammenkommen können, um reale Probleme zu lösen. Solche Zusammenarbeit ist entscheidend, um die Einführung innovativer Technologien zu beschleunigen, die für die Erreichung globaler Klimaziele von entscheidender Bedeutung sind.
Zusammenfassend stellt die Arbeit von Ding, Zeng, Zhang, Wang, Liu, Fu und Zhang einen bedeutenden Schritt nach vorne bei der Integration erneuerbarer Energien und der Elektrifizierung des Verkehrs dar. Ihre PV-DC-intelligente Lade-Strategie hat sich als in der Lage erwiesen, 100 Prozent des Ladebedarfs von Elektrofahrzeugen ausschließlich mit hauseigener Solarenergie zu decken, während gleichzeitig die Eigenverbrauchsquote der Photovoltaik erheblich verbessert und die Netzbelastung reduziert wird. Die Ergebnisse, veröffentlicht in Electric Power (DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202305101), bieten einen überzeugenden Fahrplan für die Zukunft nachhaltiger städtischer Energiesysteme. Während Städte weltweit danach streben, ihre CO2-Emissionen zu reduzieren und resilientere Infrastrukturen aufzubauen, bietet diese Forschung eine praktische, skalierbare und äußerst effektive Lösung, die die Vision einer sauberen Energiezukunft einen Schritt näher bringt.
Yifeng Ding, Shuang Zeng, Baoqun Zhang, Liyong Wang, Chang Liu (State Grid Beijing Electric Power Research Institute), Zhi Fu, Ji Zhang (Tsinghua University), Electric Power, DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202305101