Kommentare

Gamechanger Vehicle-to-Grid (V2G): Wenn 100 Millionen Elektroautos das Stromnetz stabilisieren

Die Akkus von mehreren Millionen Elektrofahrzeugen könnten in Zukunft einen elementaren Beitrag zur Stabilität regenerativ betriebener Stromnetze leisten. Die Skepsis gegenüber der Vehicle-to-Grid (V2G) Technologie ist hoch, doch neueste Studien machen Hoffnung. Letztendlich geht es um wichtige Fragen: Kann man Energie sozialisieren? Wird Deutschland, Europa oder sogar die Welt eine „All Electric Society“, mit allen Konsequenzen?

von Bernd Rubel am 18. August 2017

Eine neue Studie der University of Warwick befeuert die Hoffnung, dass die in zukünftigen Elektrofahrzeugen verbauten Akkus eine wesentlich wichtigere Rolle beim Aufbau intelligenter, mit erneuerbaren Energien gespeister Stromnetze spielen könnten. Vereinfacht ausgedrückt geht es um die Frage, ob Elektroautos mit ihren z.T. großen Akkus weiterhin reine Stromspeicher und passive Verbraucher bleiben – oder ob sie aktiv (V2G, Vehicle to Grid) Energie in das Stromnetz einspeisen können.

Optimistische Prognosen gehen davon aus, dass bereits im Jahr 2040 über 50% aller Neuzulassungen Fahrzeuge sein werden, die elektrisch betrieben werden. Mit einer entsprechend rasant ansteigenden Wachstumskurve könnte binnen kürzester Zeit ein Drittel der weltweiten Fahrzeugflotte elektrifiziert sein.

Diese Entwicklung führt zu elementaren Fragen, die mittelbar und unmittelbar mit den eingebauten Akkus zusammenhängen. Zum einen gibt es ernstzunehmende Bedenken, dass die Rohstoffgewinnung und die Produktion der Akkus einen enorm hohen CO2-Ausstoß verursachen, womit der vermeintliche Vorteil für das Weltklima im Vergleich zu heutzutage betriebenen Verbrennungsmotoren erst nach mehreren Jahren einträte.

Schwarz, weiß oder grau? Sind Elektroautos umweltschädlicher als gedacht?

Zum anderen gibt es offene Fragen zur prognostizierten Lebensdauer der Lithium-Ionen Akkus. Das betrifft einerseits den tatsächlichen Einsatz der Module als Energiespeicher im Fahrzeug und andererseits eine nachfolgend mögliche Zweitverwertung der Akkus als Batteriespeicher in einem Stromnetz. Im Idealfall wäre es möglich, dass die zuvor im Elektroauto eingebauten Module einfach entnommen und dann in stationären Batteriespeichern unterschiedlicher Größe eingebaut werden können. Zum irgendwann anstehenden Ende des Lebenszyklus geht es dann um die Frage, ob Akkus und die darin enthaltenen Rohstoffe möglichst energieeffizient und kostengünstig recycelt werden können.

Innerhalb dieses Lebenszyklus eines Lithium-Ionen-Akkus gibt es verschiedene Einsatzszenarien, die sowohl in puncto Umweltschutz als auch in puncto Wirtschaftlichkeit eine enorme Hebelwirkung entfalten können. Eine elementare Frage ist, ob die mit z.T. hohen gesamtgesellschaftlichen Belastungen produzierten Akkus eine aktive Rolle beim Aufbau und Betrieb eines überregionalen, regenerativ gespeisten Stromnetzes spielen könnten.

Eines der größten Probleme regenerativ gespeister Stromnetze ist, dass die von Windrädern und Solarmodulen gewonnene Energie “irgendwo” gespeichert werden muss. In einigen Ländern treibt z.B. die tagsüber gewonnene und evtl. überschüssige Solarenergie riesige Pumpen an, die Wasser in einen höher gelegenen See pumpen. Wird die Energie dann tatsächlich benötigt, kann das Wasser kontrolliert abgelassen werden, wobei es Wasserturbinen eines Wasserkraftwerks antreibt, die wiederum Strom produzieren. Dieses Beispiel verdeutlicht, dass die Stromspeicherung und Rückeinspeisung in ein Stromnetz mit z.T. enormen Kosten und Energieverlusten verbunden ist, die man eigentlich vermeiden möchte. Für moderne, möglichst effiziente Stromnetze wäre es wesentlich sinnvoller, wenn es einerseits langfristige und andererseits sehr reaktionsschnelle Speicher gäbe, mit denen die Verbrauchsschwankungen in einem international verknüpften Stromnetz binnen weniger Minuten ausgeglichen werden können. Sprich: wenn alle Briten ihre Wasserkocher für den Vier-Uhr-Tee einschalten, kann ein intelligentes “Grid” diesen “Peak” innerhalb von Sekunden ausgleichen.

In Verbindung mit der Elektromobilität liegt der Gedanke nahe, dass diese Rolle von mehreren Millionen Elektrofahrzeugen übernommen werden könnte, die – wie jedes Fahrzeug – einen erheblichen Teil ihrer Lebenszeit auf irgendwelchen Standplätzen oder in Garagen ungenutzt parken und während dieser Zeit an eine Ladestation angeschlossen sein werden. Der Unterschied in einem Vehicle-to-Grid-System zum heutzutage präferierten Modell ist, dass die Elektrofahrzeuge in dieser Zeit nicht nur Strom laden und speichern könnten. Sie wären stattdessen auch in der Lage, einen Teil der in den Akku-Modulen gespeicherten Energie bei Bedarf wieder zurück in das Stromnetz einzuspeisen.

V2G – Die “Sozialisierung” von Energie

Damit würde man nicht nur die oben bereits erwähnte Zweitverwertung der Akkus als separate Batteriespeicher um Jahre vorziehen. Jedes Elektrofahrzeug wäre vom ersten Tag an ein aktiver Teil eines intelligenten Stromnetzes, die in den Fahrzeugen integrierte Elektronik würde auf zentral gesteuerte Energieanforderungen “in Echtzeit” reagieren. Idealerweise könnte man dezentrale Netzstrukturen schaffen, in denen die Übertragungswege für die Energie möglichst kurz ausfallen. Sehr vereinfacht ausgedrückt und als Verbildlichung zu verstehen: ein paar um die Ecke geparkte Elektrofahrzeuge speisen für wenige Minuten ein paar hundert Wasserkocher in der näheren Umgebung.

Dieser Grundgedanke des V2G erfordert in allererster Linie ein Umdenken bei den Besitzern der Elektrofahrzeuge, denn ihr Eigentum – das Fahrzeug bzw. die darin eingebauten Akkus – werden damit de facto zum allgemein verfügbaren Gut. Diese “Sozialisierung” von Energie und der in Zukunft zwingend benötigten Speicher ist im größeren Kontext Teil der sogenannten Sektorkopplung, die von einer „All Electric Society“ als Lösung für die zukünftigen Herausforderungen 100%ig regenerativ gespeister Stromnetze ausgeht. Geeks werden bei weiterer Beschäftigung mit der Thematik schnell Parallelen zu anderen technologischen Ansätzen entdecken, die alles andere als neu sind. In Projekten wie Seti@Home werden z.B. nicht genutzte Prozessorkapazitäten von Heim-PCs für die Suche nach außerirdischen Signalen gebündelt, viele Entwicklungen im Bereich Künstlicher Intelligenz basieren auf der Vernetzung von eigentlich dezentral verfügbarem Wissen. In einem noch weiteren Kontext sprechen wir von der finalen Fortführung einer Sharing Economy, in der Ressourcen gleich welcher Art der Allgemeinheit zur Verfügung stehen, woraus sich idealerweise eine Win-Win-Situation für die gesamte Gesellschaft ergeben könnte.

Skeptiker des Vehicle-to-Grid-Modells bemängeln, dass die heute und in den kommenden Jahren gefertigten Akkus gar nicht für ein solches Einsatzszenario als aktive Teilnehmer in einem intelligenten Stromnetz konzipiert sind. Die Lebensdauer eines typischen Lithium-Ionen-Akkus reduziert sich (wie z.B. bei einem Smartphone oder einem Notebook) mit der Zahl der Ladezyklen, die von den Zellen bewältigt werden muss. Es gibt verschiedene Ansätze, mit denen man diesen Effekt enorm verringern kann, die Vermeidung einer vollständigen Entladung und 100%igen Aufladung gehört dazu. Zudem spielen andere Faktoren wie z.B. die Umgebungstemperatur und, damit zusammenhängend, die Betriebstemperatur der Akkus eine entscheidende Rolle für die Lebensdauer einer Batterie.

Kurzum: es dürfte dem Käufer eines vergleichsweise teuren Elektrofahrzeugs mit großem Akku bereits schwer zu vermitteln sein, dass seine persönliche Investition in den Umweltschutz plötzlich “Wildfremden” (und ihren Wasserkochern, siehe oben) zu Gute kommt, an diesem Punkt erreicht der gesamtgesellschaftliche Nutzen bereits eine sehr abstrakte Ebene. Wenn sich dann auch noch bewahrheiten würde, dass der eigene Akku wesentlich früher einen erheblichen Teil seiner Speicherkapazität und eigentlich zugesicherten Reichweite verloren hat, mutiert auch der umweltbewussteste Philanthrop ganz fix zum Misanthrop.

Gesucht: Die “QuickCharge x.0 EV-Edition”

Die eingangs erwähnte Studie der University of Warwick widmet sich dieser Problematik. Wie eine Reihe anderer Pilotprojekte widmen sich die Wissenschaftler in ihrer Untersuchung der Frage, unter welchen idealen Bedingungen und mit welcher Kombination aus Software und Hardware das Problem der Kapazitätsverringerung bei wachsender Zahl von Ladezyklen behoben werden kann. Hierzu erstellten die Wissenschaftler ein Simulationsmodell und entwickelten daraus einen Algorithmus, der verschiedene Szenarien der Wechselwirkung zwischen Fahrzeug-Akku und Stromnetz berücksichtigt.

Dabei kamen sie zu einem überraschenden (Zwischen)ergebnis, das sicherlich zu hochgezogenen Augenbrauen und weiteren Überprüfungen in der Fachwelt führen wird. Die Forscher wollen herausgefunden haben, dass ein als aktiver Energiespeicher eingebundener Akku eines Elektrofahrzeugs innerhalb des Grids unter bestimmten Voraussetzungen weitaus weniger Kapazität verlieren kann als ein Akku, der allein als passiver Energiespeicher betrieben wird.

Sollten sich diese Erkenntnisse in weiteren Praxistests und Simulationen bewahrheiten, wäre dies ein Gamechanger. Besitzer eines Elektrofahrzeugs dürften sich mit Leichtigkeit davon überzeugen lassen, dass eine Einbindung ihres Fahrzeugs in ein intelligentes Grid nicht nur ökologisch sinnvoll ist, wenn damit einhergehend sogar eine Verlängerung der Lebensdauer ihrer eigenen Investition realisiert wird. Rund um dieses Forschungsergebnis sind verschiedene Einsatz- und Monetarisierungsmodelle denkbar, die bereits bei einem ganz geringen positiven Effekt eine enorme Hebelwirkung für die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen entfalten könnten. So wäre es z.B. durchaus möglich, dass der Inhaber eines Elektrofahrzeugs für seine “Dienstleistung” bezahlt wird, wenn er die Akkus seines Autos als mobilen Zwischenspeicher bereitstellt. Im Grunde könnte die Einbindung in ein intelligentes Grid elementarer Bestandteil der permanenten Wartung einer Batterie werden, sobald die ultimativen Bedenken zum Kapazitätsverlust durch Ladezyklen ausgeräumt sind.

Man kann als Gegenargument zur Studie der University of Warwick sicherlich einwenden, dass es sich zum jetzigen Zeitpunkt um ein rein theoretisches Simulationsmodell handelt, das in weiten Teilen auf idealen Voraussetzungen basiert, die in der Praxis nur selten oder nie realisierbar sein werden. Andererseits muss man sich mit einem Blick auf die heutzutage alltäglichen Ladetechnologien für Smartphones, Notebooks und andere Geräte die rasante Entwicklung in Erinnerung rufen. Noch vor wenigen Jahren war es undenkbar, dass der Akku eines Mittelklasse-Smartphones binnen kürzester Zeit kabellos aufgeladen werden könnte – heute ist das bereits bei vielen Kunden ein Must Have.

Für ein Elektroauto, das im Gegensatz zu einem Smartphone viele tausend Euro kosten wird, werden solche Entwicklungen elementar sein. Wir sollten uns rechtzeitig damit beschäftigen und jede einzelne Entwicklung, sei sie noch so klein, als Chance begreifen.