E-Mobilität mit PV Strom trifft auf die Heidelberg Wallbox Energy Control mit integriertem Lastmanagement

Wallbox und Photovoltaikanlage sind zwei Partner, die sich wunderbar ergänzen. Denn mit einer eigenen PV-Anlage lässt sich das E-Auto mit günstigem Solarstrom betanken, der zudem noch umweltfreundlich ist. Die Kombination von Wallbox und Photovoltaik lohnt sich also allemal: eine Investition, die sich bald bezahlt macht.

Darum lohnt es sich, das E-Auto mit Solarstrom zu laden

Die Kosten für den Bezug von Strom sind wesentlich höher als die Vergütung für das Einspeisen von Strom in das öffentliche Netz. Daher ist es günstig, möglichst viel Eigenstrom zu verbrauchen. Je höher der Eigenstromverbrauch ist, desto wirtschaftlicher kann eine PV-Anlage betrieben werden. Wenn ein Elektroauto mit Strom geladen wird, der aus der eigenen PV-Anlage stammt, steigt der selbst genutzte Anteil an Strom automatisch auf bis zu 50%. Ein stationärer Speicher kann zudem auch nachts den Strom aus der PV-Anlage nutzen und dadurch den Eigenstrom anteilig auf bis zu 70 % steigern. Da der Aufwand an Wartung einer PV-Anlage relativ gering ist, diese aber praktisch jahrzehntelang kostenlos Strom liefert, sind die Ersparnisse – über einen längeren Zeitraum berechnet – beeindruckend.

Wenn man die Anschaffungskosten über einen Zeitraum von 20 Jahren verteilt, kostet Solarstrom lediglich ca. 10 Cent pro Kilowattstunde. Und dies ohne jegliche Preissteigerungen, wie sie bei der Stromlieferung über den örtlichen Anbieter kaum vermeidbar wären. Derzeit kostet eine Kilowattstunde Netzstrom ungefähr 30 Cent. Beim Betrieb des E-Autos mit Solarstrom lassen sich also pro Kilowattstunde ca. 20 Cent sparen. Aber nicht nur der Kostenfaktor ist interessant, sondern auch der Blick auf die Umweltverträglichkeit. Während man beim Laden mit Netzstrom nur zu einem geringen Teil Strom aus erneuerbaren Energiequellen erhält, liefert die Photovoltaikanlage zu 100 % umweltfreundlichen Strom, und auch CO2-Emissionen fallen nicht an. Und diejenigen Emissionen, die bei der Herstellung der Anlage verursacht werden, sind durch die Produktion von grünem Strom bald wieder völlig neutralisiert. Auch die Unabhängigkeit vom Stromnetz spielt eine Rolle bei der Planung einer eigenen PV-Anlage. Durch die im Stromspeicher enthaltene Notstromfunktion fließt der Strom auch bei einem etwaigen Stromausfall. Auf diese Weise ist man also zum einem gewissen Teil auch unabhängig von der öffentlichen Infrastruktur.

Zusammengefasst lassen sich also die folgenden Argumente anführen, die für den Strom aus der eigenen Photovoltaik-Anlage plädieren:

1. Mit Strom von der Sonne lässt sich das Elektroauto umweltfreundlich und auch wesentlich günstiger laden als mit Strom, der aus der Steckdose kommt.

2. Das Laden des E-Autos mit PV-Strom aus eigener Erzeugung erhöht durch den gestiegenen Eigenverbrauch die Wirtschaftlichkeit der auf dem Dach installierten Photovoltaikanlage.

3. Die Einrichtung einer Ladestation auf dem Stellplatz oder in der Garage wird noch immer durch Fördermittel unterstützt, wie auch die Installation eines Batteriespeichers und die Anschaffung eines Elektroautos.

4. Das E-Auto kann man tagsüber anschließen und über den aktuell erzeugten PV-Strom betanken. Bei schlechter Wetterbedingungen und nachts hilft ein Stromspeicher dabei, nicht auf die öffentliche Stromversorgung angewiesen zu sein. 

Lässt sich ein Elektroauto ausschließlich mit Solarstrom von der Wallbox laden?

Wenn Größe und Kapazität der Photovoltaikanlage ausreichen, ist das alleinige Betreiben eines E-Autos mit Solarstrom möglich. Allerdings empfiehlt es sich, zusätzlich einen Stromspeicher zu installieren, um sorglos tanken zu können. Auf diese Weise wird überschüssig erzeugter Solarstrom gespeichert. Ohne diesen Speicher müsste das Auto immer dann geladen werden, wenn mehr Strom produziert wird, als momentan im Haushalt verbraucht wird. Ein Stromspeicher dagegen sorgt für Unabhängigkeit und ermöglicht das Betanken zu jeder beliebigen Zeit.

Wieviel Strom aus der PV-Anlage wird benötigt für das Laden eines E-Autos?

Photovoltaikanlagen auf Einfamilienhäusern haben normalerweise eine Kapazität zwischen 5 und 10 kWp. Für das Laden eines E-Autos und einer jährlichen Fahrleistung von 15.000 km sollte man ca. 2,5 kWp Photovoltaik einplanen. Dies entspricht ungefähr einer Dachfläche von 15 m². Aber natürlich taugen diese Angaben nur zur ungefähren Orientierung, denn bei der Berechnung müssten eigentlich auch der Verbrauch des E-Autos sowie die genaue Beschaffenheit der PV-Anlage berücksichtigt werden. Dennoch liefert die Berechnung die Einsicht, dass ein ausschließliches Nutzen von Solarstrom zusammen mit einem Stromspeicher durchaus möglich ist.

Die Sache mit dem Lastmanagement

Ein Lastmanagementsystem hat die Aufgabe, die Leistung elektrischer Verbraucher zu kontrollieren. Auch kann dieses System die Leistung reduzieren, um damit Überlastungen entgegen zu wirken. In Zusammenhang mit der E-Mobilität gewinnt das Lastmanagementsystem immer mehr an Bedeutung. Vor allem dort, wo es sich um Orte mit begrenztem Netzanschluss handelt, oder wenn mehrere Wallboxen vorhanden sind und auch mehrere Ladevorgänge gleichzeitig ablaufen. Wohnanlagen oder Mitarbeiter-Parkplätze sind deshalb prädestiniert für das Installieren eines Lastmanagementsystems.

Die Funktionsweise besteht letztlich darin, die zur Verfügung stehende Menge an Strom auf alle ladenden Fahrzeuge gleichmäßig zu verteilen. Die integrierte Software sorgt für diese Verteilung.

Im Prinzip unterscheidet man drei Arten des Lastmanagements:

1. Integriertes Lastmanagement: Die komplette Leistung kann auf mehrere Fahrzeuge gleichmäßig verteilt werden. Falls nur ein einziges Fahrzeug zum Laden angeschlossen ist, wird diesem die Gesamtleistung zugeführt, was ein schnelleres Aufladen zur Folge hat.

2. Statisches Lastmanagement: Jede Ladesäule erhält die gleiche Leistung. Daher steht an jeder Ladestation auch stets die gleiche Leistung bereit, und dies unabhängig von der Anzahl der zu ladenden Autos.

3. Dynamisches Lastmanagement: Diese Variante interagiert mit dem aktuellen Stromverbrauch in dem Stromnetz, in das die Ladesäulen integriert sind. Diejenige Leistung, die außerhalb der Lastspitzen übrig bleibt, wird auf die zu ladenden Autos verteilt.

Das Lastmanagement soll den Nutzern auch die Befürchtung nehmen, zum Laden des eigenen Autos zu wenig Strom abzubekommen. Wenn in einer Wohnanlage mehrere Autos gleichzeitig geladen werden, kann der Stromanschluss schnell überlastet sein. Diese Angst ist weit verbreitet und soll so manchen Interessierten dazu verleitet haben, mit der Anschaffung eines Elektroautos noch zu warten. Doch diese Angst ist dann unbegründet, wenn die Wallboxen über ein Lastmanagementsystem verfügen.

Das neue Gebäudeenergiegesetz (GEG) sieht Lösungen vor, um die Lastspitzen zu entschärfen. Und zwar in der Weise, dass zum Beispiel eine Photovoltaik-Anlage, die auf einem Firmengebäude angebracht wird, für das Laden der betriebseigenen Autos oder für die Mitarbeiter-Pkws genutzt wird. Ein zusätzlich installierter Stromspeicher würde dabei helfen, den Strombedarf zu einem großen Teil abzudecken. Eine Maßnahme, die im GEG nicht nur erwähnt wird, sondern die auch gefördert werden kann.

Überschussladen

Es ist sinnvoll, das E-Auto über die Wallbox mit selbst erzeugtem Solarstrom zu laden, vor allem hinsichtlich der ständig steigenden Strompreise und der permanent sinkenden Einspeisevergütungen. Deshalb ist es ratsam, vom Strom der hauseigenen PV-Anlage so viel wie möglich selbst zu verbrauchen oder zwischen zu speichern. Wird das E-Auto mit Strom betrieben, der durch die PV-Anlage überschüssig erzeugt wurde, lassen sich die Kosten für den Stromverbrauch des Fahrzeugs weiterhin stark reduzieren.

Drei Varianten haben sich hinsichtlich des Überschussladens als praktikabel erwiesen:

1. Laden von PV-Strom ohne Ansteuerung der Wallbox. Hierbei wird das Elektroauto direkt, ohne Zwischenschaltung der Wallbox, mit einer bestimmten Leistung geladen. Optimieren lässt sich der Anteil am Eigenverbrauch hierbei lediglich durch das Vermindern der Ladegeschwindigkeit und durch das Ausnutzen der Stunden mit hoher Sonnenstrahlung. Diese Variante setzt eine Wallbox voraus, deren Leistung sich anpassen lässt. Der Eigenanteil an PV-Strom lässt sich so nicht optimal steigern, da die Kommunikation von Ladestation und PV-Anlage übergangen wird. Eine Lösung, die keine idealen Ergebnisse liefert.

2. Überschussladen durch ein Freigabesignal. Wenn ein vorher definierter PV-Überschuss vorliegt, wird der Ladevorgang des Elektroautos durch ein Freigabesignal der Wallbox gestartet. Die Belieferung mit Strom erfolgt so lange, wie der Überschuss erzeugt wird. Bei Unterschreiten eines bestimmten Wertes stoppt das Laden, bis ein erneutes Signal erfolgt. Diese Variante ermöglicht gegenüber der 1. Variante bereits einen höheren Anteil an selbst erzeugten Strom. Voraussetzung für das Funktionieren dieser Möglichkeit ist, dass die Ladestation über einen entsprechenden Freigabekontakt verfügen muss und auch über die Möglichkeit, eine niedrige Ladeleistung einzustellen. Der Eigenverbrauch an PV-Strom lässt sich hierbei um ca. 20 % steigern. Dies macht sich bei den Kosten für den Stromverbrauch aus dem Stromnetz deutlich bemerkbar, selbst wenn überschaubare Investitionen für die Anschaffung einer Wallbox getätigt werden müssen.

3. Überschussladen durch eine dynamische Ansteuerung
Diese Variante gilt als die effizienteste Art und Weise, das E-Auto mit PV-Strom zu versorgen. Die Wallbox regelt den Ladestrom permanent und passt ihn der Kapazität an, die aktuell durch PV-Überschuss zur Verfügung steht. Ein intelligentes System, das verhindert, dass zu viel Strom in das öffentliche Netz eingespeist wird. Der Eigenverbrauch an PV-Strom lässt sich auf diese Weise optimieren. Das E-Auto wird lediglich dann mit der idealen Leistung geladen, wenn diese aus dem PV-Überschuss auch zur Verfügung steht. Der Zukauf an Strom von den örtlichen Betreibern lässt sich dadurch erheblich reduzieren. Allerdings sind die Investitionskosten bei dieser Variante auch die höchsten.

Bidirektionales Laden – das E-Auto als mobiler Speicher von PV-Strom

Die Akkus von E-Fahrzeugen nehmen nicht nur den Strom auf, der in der Solaranlage erzeugt wurde und eigentlich für die Fahrt zum Büros oder zum Einkaufszentrum dienen sollte. Sondern dieser Solarstrom lässt sich gegebenenfalls auch wieder in den häuslichen Stromkreis einspeisen. Dies ermöglicht, dass nur die Anschaffung eines kleineren Speichers im Haus nötig ist oder eventuell gar keiner. Hierfür werden Batterien im E-Auto verwendet, die nicht nur die Beladung ermöglichen, sondern auch Strom abgeben können. Unter Vehicle-to-Grid-Technik ist diese ökonomische Variante der Stromspeicherung bekannt geworden. 

Über welche Kapazitäten sollten PV-Stromspeicher und PV-Anlage verfügen?

Die Diskussion um Fahrverbote von Dieselautos hat das Interesse an der E-Mobilität gewaltig gestärkt. Viele Hausbesitzer planen deshalb, sich ein E-Auto zuzulegen, zumal sie auch die räumlichen Möglichkeiten besitzen, eine eigene Ladestation einzurichten. Und auch über die Solarstromanlage auf dem Dach verfügen bereits viele Eigenheime, so dass die Voraussetzungen für die Verbindung von E-Auto und PV-Anlage kaum besser sein könnten. Solarstrom umweltfreundlich zu produzieren und als kostensparende Energie für den Antrieb des eigenen E-Autos einzusetzen ist eine sehr verlockende Option. Und dies umso mehr, da dadurch öffentliche Fördergelder zu erwarten sind. Um den Strombedarf des E-Autos zu decken – und dies neben den im Haushalt befindlichen Verbrauchern – sollte die Photovoltaikanlage nicht zu klein ausgelegt werden.

Als Regel gilt: Die PV-Anlage sollte mehr Strom erzeugen, als durch den Haushalt üblicherweise verbraucht wird. Dies bedeutet pro 1.000 kWh Jahresverbrauch an Strom für Haushalt und Auto eine Kapazität von mindestens 1 kWp Leistung.
Der Stromspeicher sollte entsprechend ausgelegt sein: pro 1.000 kWh Verbrauch an Haushaltsstrom sollten bis zu 1 kWh Speicherkapazität gerechnet werden. Und bis zu 1,5 kWh dann, wenn man beabsichtigt, das E-Auto vor allem nachts zu laden.
Die Nachrüstung von bestehenden Solarstromanlagen mit einem leistungsfähigeren Stromspeicher, aber auch die Erweiterung von bereits installierten PV-Anlagen ist möglich, um auch ältere Anlage effektiv einzusetzen. Für diese Aufrüstung der PV-Systeme hat sich der Begriff Retrofit etabliert.

Wie funktioniert eigentlich eine Photovoltaikanlage?

Weitaus die meisten Solarzellen werden aus Silizium hergestellt. Dieser Quarzsand ist eines der häufigsten Elemente, die in der Erdschicht vorkommen. Das Vorkommen an Silizium gilt quasi als unerschöpflich. Der Quarzsand wird bei der Verarbeitung gereinigt und kristallisiert und nach weiteren Produktionsschritten schließlich mit Leiterbahnen für den Stromtransport versehen. Das Einfallen von Licht auf die Siliziumscheibe setzt Elektronen frei, die sich – einer Batterie vergleichbar – an bestimmten Stellen des Photovoltaik-Moduls als positive und negative Ladung sammeln. Diese Ladung wird an den Stromspeicher weitergeleitet.
Je intensiver die Sonneneinstrahlung, desto größer der elektrische Strom.

PV-Anlage und Wallbox sollten zusammen passen

Das Beste vorweg: Die Installation einer Wallbox ist förderungswürdig und wird auf Antrag von der KfW durch einen nicht unbeträchtlichen Zuschuss gefördert. Auch die einzelnen Bundesländern bieten eigene Förderungsmöglichkeiten an. Falls die Wallbox also noch nicht installiert wurde, ist es ratsam, sich diesbezüglich zu informieren.
Beim Kauf einer Wallbox sollte man auf bestimmte Merkmale achten. Dazu gehört zum Beispiel die Möglichkeit, die Station abzuschließen oder sie vom Smartphone aus zu steuern. Sehr wichtig ist allerdings der Fehlerstromschutzschalter.
Eventuell fordert der Netzbetreiber für die Ladestation einen eigenen Stromzähler, der auch die PV-Anlage berücksichtigt. Hier können weitere Kosten entstehen.

Beim Laden des E-Autos stellt sich die Frage, mit welcher Kapazität es geladen werden soll. 11-Kilowatt-Ladestationen haben den Vorteil, dass sie durch das langsamere Laden mehr Strom aus der PV-Anlage nutzen. Bei 22-kW-Ladestationen geschieht das Laden zwar schneller, aber es fließt auch ein höherer Anteil an Strom aus dem öffentlichen Netz ein. Nur an wenigen Tagen im Jahr dürfte die PV-Anlage genügend Strom bereitstellen, um auch diesen schnelleren Ladevorgang ausreichend abzudecken.