Elektromobilität Große Elektromobil-Flotten mit erneuerbaren Energien laden

Autor / Redakteur: Jens Eickelmann * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Wie lassen sich auch große E-Mobil-Flotten bedarfsgerecht mit erneuerbaren Energien laden? Die Lösung ist ein Energiemanagement-System mit Anbindung an ein OCPP-Backend.

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Firmeneigener Ladepark: Wenn 18 Elektrofahrzeuge gleichzeitig mit regenerativen Energien geladen werden, ist ein maßgeschneidertes Energiemanagement-System erforderlich.
Firmeneigener Ladepark: Wenn 18 Elektrofahrzeuge gleichzeitig mit regenerativen Energien geladen werden, ist ein maßgeschneidertes Energiemanagement-System erforderlich.
(Bild: Phoenix Contact)

Die Mobilitätswende kennt viele Herausforderungen – etwa das Laden größerer Fahrzeugflotten ohne massiven Ausbau der bestehenden Netzanschlüsse. Dabei müssen individuelle Mobilitätsanforderungen mit der Volatilität der erneuerbaren Energien in Einklang gebracht werden. Die Lösung – ein Energiemanagement-System mit Anbindung an ein OCPP-Backend (Open Charge Point Protocol) – hat GP Joule mit Unterstützung von North-Tec und Phoenix Contact erfolgreich umgesetzt.

Wer sich auf den Weg macht nach Reußenköge, dem Hauptsitz von GP Joule im Norden Schleswig-Holsteins, fährt durch eine Landschaft, die durch die Nutzung regenerativer Energien geprägt ist. Wind, Sonne und Biogas liefern hier viel grüne Energie ins Stromnetz.

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Individuelle E-Mobilitäts­konzepte

Auf die innovative Nutzung regenerativer Energien hat sich GP Joule spezialisiert. Das im Jahre 2009 gegründete Unternehmen ist universeller und innovativer Partner für Unternehmen, Kommunen sowie Investoren in allen Bereichen der erneuerbaren Energien. Unter dem Motto „Trust Your Energy“ und angetrieben von der Überzeugung, dass eine 100-prozentige Erneuerbare-Energie-Versorgung machbar ist, entwickelt und realisiert GP Joule Energie- und Betriebskonzepte für die zukunftsträchtige Nutzung von Sonne, Wind, Biomasse und Energiespeichern. Das mittlerweile auf über 200 Mitarbeiter angewachsene Unternehmen errichtet, vermarktet und betreibt weltweit Energieparks mit hoher Skalierung und Nennleistungen von mehreren hundert Megawatt.

„Zu unserem Angebotsspektrum gehören auch individuelle E-Mobilitäts- und Energiekonzepte für Gewerbetreibende, Unternehmen und Kommunen“, erläutert Dr. Fabian Sösemann (Bild 1), Bereichsleiter Energieversorgung und Recht bei GP Joule in Reußenköge. „Die durch die Elektromobilität eingeleitete Mobilitätswende sehen wir als Treiber im System.“

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Master/Slave-Systeme auch für die E-Mobilität

Master/Slave-Systeme haben in der Informationstechnik eine lange Tradition – sie ermöglichen eine hierarchische Verwaltung des Zugriffs auf eine gemeinsame Ressource. Auch beim Lademanagement werden sie genutzt:

  • Ein Master/Slave-System besteht aus einem Master mit vollständiger technischer Ausstattung sowie mehreren einfacher ausgestatteten Slaves – in diesem Fall Ladepunkten.
  • Ladepunkte können auf einfache Weise skaliert werden.
  • Die Anlagen-Intelligenz – inklusive der Anbindung an Abrechnungssysteme – wird zentral vorgehalten.
  • Hohe Kosteneffizienz beim Komponenteneinsatz.

Das Unternehmen betreibt einen firmeneigenen Fuhrpark mit 28 reinrassigen Elektrofahrzeugen – gut zwei Drittel davon werden am Firmenstandort in Reußenköge geladen. Dafür stehen fast 1,5 MWp Solarenergie sowie eine Biogasanlage zur Verfügung, die auf der Lastseite den Bürokomplex, einen Elektrolyseur, eine Korntrocknung und die Ladestationen versorgen. „Die große Herausforderung liegt in der Versorgung der Lasten bei maximaler Ausnutzung des Potenzials an erneuerbaren Energien“, so Sösemann, „und dabei das konventionelle Netz so wenig wie möglich zu beanspruchen.“

Die dabei zur Verfügung stehende Energie wird je nach Priorisierung auf die Biogasanlage, der Elektrolyseanlage, die Korntrocknung und die Ladestationen aufgeteilt. Die Ladestationen bieten dabei das größte Lastverschiebungspotenzial, sie sollen perspektivisch auch Energie ins Netz zurückspeisen.

Zentrales Ladekonzept im Fokus

Eine tief verwurzelte Haltung zur Umwelt und ein verantwortungsvoller Umgang mir Ressourcen spielen in der Firmenphilosophie von GP Joule eine wichtige Rolle. Daher sollte auch das Ladekonzept für den firmeneigenen E-Parkplatz mit einem geringen Einsatz an Ressourcen entstehen. Das Ergebnis ist ein Master/Slave-System mit einer Konzentration der Ladetechnik in einem zentralen Schaltschrank im Gebäudeinneren sowie abgesetzten dezentralen Ladepunkten am Parkplatz. Bei dieser Aufteilung liegen die Vorteile klar auf der Hand: Die Ladepunkte können technologisch einfach gestaltet werden, und sie besitzen mit der Infrastruktur-Ladekupplung Typ 2 und dem RFID-Kartenlesegerät zur Autorisierung nur wenige aktive Komponenten.

Die Ladetechnik befindet sich im zentralen Schaltschrank. Von dort steuert sie alle wichtigen Anwendungen und Prozesse: Die für den Ladevorgang erforderliche Kommunikation nach IEC 61851 Lademodus 3 wird für die Ladepunkte mit Ladesteuerungen der Serie EVCC Advanced von Phoenix Contact umgesetzt. Die über einen seriellen Bus direkt an die Ladesteuerungen angeschlossenen geeichten Energiemessgeräte liefern die für das Lastmanagement essentiellen Informationen über die aktuellen Leistungswerte. Zur Vernetzung der Ladesteuerungen und der RFID-Kartenleser dient ein Netzwerk auf Ethernet-Basis, welches die Daten zur Weiterverarbeitung an die zentrale Steuerung schickt. Als Steuerung fungiert hier eine Axioline 1050 von Phoenix Contact - sie bildet das Herzstück des Gesamtsystems.

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Programmiert wird die zentrale Steuerung mit der Entwicklungsumgebung PC Worx nach IEC 61131. Dabei erfüllt die Steuerung zwei Funktionen: zum einen die zentrale Anbindung an das GP-Joule-eigene Abrechnungssystem über das Kommunikationsprotokoll OCPP 1.5, das inzwischen als Kommunikationsstandard für Ladepunkte etabliert ist. Und zum anderen die Ausführung des intelligenten Regelalgorithmus für das Energiemanagement.

Neben Phoenix Contact hat - als Spezialist für die Steuerung von Biogasanlagen und Automatisierungstechnik - die North-Tec Maschinenbau GmbH aus dem nur wenige Minuten von Reußenköge entfernten Bredstedt die Ladelösung mit entwickelt. Das 2004 gegründete und über 50 Mitarbeiter starke Unternehmen hat die Regelprozesse anhand der von GP Joule festgelegten Priorisierungen angefertigt. Diese werden über Ladekarten mit unterschiedlicher Priorität je nach Verwendungszweck des zu ladenden Fahrzeugs in Abhängigkeit der verfügbaren erneuerbaren Energie umgesetzt.

„Wir wollen das Netz ständig beobachten und dabei den Eigenstromverbrauch optimieren“, erläutert Ralf Breckling (Bild 1), Geschäftsführer von North-Tec. „Der E-Parkplatz von GP Joule befindet sich am Ende des Netzstrangs des örtlichen Verteilnetzbetreibers – diese Position zeigt Analogien zu den Bedingungen in zahlreichen Parkhäusern.“ Denn auch dort ist bei steigendem Ladeaufkommen von Elektrofahrzeugen ein Engpass der ökonomisch sinnvollen und realisierbaren Ladeleistung zu erwarten.

„Unser Ladekonzept lässt sich ohne weiteres auf derartige Anwendungsfälle übertragen“, erklärt Sösemann, und verweist auf die Notwendigkeit einer konzentrierten Datenhaltung in der Steuerung: „Durch die Zusammenführung aller Signale auf einen Leitstand wird uns zudem auch die Verwertung dieser im Bilanzkreisgeschäft ermöglicht.“ (Bilder 2 und 3)

Einfaches Wartungskonzept durch Zentralität

Das Master/Slave-Konzept hat noch einen weiteren Vorteil: Durch die Konzentration weniger, intelligenter Bauteile in nur einem Schaltschrank wird auch die Wartung der Anlage übersichtlicher und einfacher. Dabei spielen auch Schutzschalter eine wichtige Rolle: Die normativ vorgeschriebene explizite Überwachung des Schutzleiters auf DC-Fehlerströme erfolgt durch den RCM-Monitor von Phoenix Contact. Eine Erweiterung des Fehlerstromschutzschalters vom Typ A auf den deutlich teureren allstromsensitiven Typ B ist dann nicht erforderlich.

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Master/Slave-Systeme auch für die E-Mobilität

Master/Slave-Systeme haben in der Informationstechnik eine lange Tradition – sie ermöglichen eine hierarchische Verwaltung des Zugriffs auf eine gemeinsame Ressource. Auch beim Lademanagement werden sie genutzt:

  • Ein Master/Slave-System besteht aus einem Master mit vollständiger technischer Ausstattung sowie mehreren einfacher ausgestatteten Slaves – in diesem Fall Ladepunkten.
  • Ladepunkte können auf einfache Weise skaliert werden.
  • Die Anlagen-Intelligenz – inklusive der Anbindung an Abrechnungssysteme – wird zentral vorgehalten.
  • Hohe Kosteneffizienz beim Komponenteneinsatz.

Beim Auslösen im Fehlerfall unterbricht der RCM-Monitor den Ladevorgang - und kann ihn wieder fortsetzen, sobald der Fehler behoben ist. Ein manueller Eingriff durch Wartungspersonal ist auch nicht erforderlich. Der manuelle Eingriff beschränkt sich auf die Auslösetests der Fehlerstromschutzschalter vom Typ A, die im nicht privaten Bereich regelmäßig vorgeschrieben sind.

Die Software eines Energiemanagement-Systems muss die Daten der unterschiedlichen Erzeuger und Verbraucher optimal verwerten. Durch die offene Plattform der Kleinsteuerungen von Phoenix Contact lassen sich hier ganz unterschiedliche Protokolle implementieren. „Gerade die Inbetriebnahme des Master/Slave-Ladeparks mit einem zentralen Datenkanal zum Abrechnungssystem über OCPP 1.5 barg so manche komplexe Herausforderung“, erinnert sich Breckling. „Aber letztendlich konnten wir durch die intensive Zusammenarbeit nach über 2-jähriger Planungs- und Entwicklungszeit die Anlage erfolgreich in Betrieb nehmen.“

Ladesystem verbindet Mobilitätswende und Energiewende

Zum Laden des firmeneigenen e-mobilen Fuhrparks ist am Stammsitz von GP Joule in Reußenköge ein Energiemanagement-System inklusive Ladepark nach dem Master/Slave-Ansatz entstanden. Sösemann ist mit dem Ergebnis des Projekts zufrieden: „Als Spezialist für regenerative Energien sind wir jetzt auch bei der Mobilitätswende ein gutes Stück weiter gekommen.“ Die Ladetechnologie sowie die Hardwareplattform zur Bearbeitung der Algorithmen zur Energieverteilung stammen aus dem Hause Phoenix Contact. In Kooperation mit dem Entwicklungspartner North-Tec ist ein zukunftsweisendes und offenes System entstanden, welches die Mobilitätswende mit der Energiewende effizient verbindet und daher auch Modellcharakter für künftige Ladeparks hat.

* Jens Eickelmann ist Business Development Manager E-Mobility, Phoenix Contact Deutschland GmbH in Blomberg.

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