Vorteile von 11kW Wallboxen

Mit dem zunehmenden Vordringen der Elektromobilität stellt sich bei vielen Fahrzeugen die Frage, ob ihr Nachfolger in irgendeiner Form elektrifiziert ist. Aufgrund diverser politischer Weichenstellungen wird zunehmend (Lade)Infrastruktur aufgebaut und Stromversorgungsnetze umstrukturiert. Weitere Anreize wie Kaufprämien und steuerliche Erleichterungen verringern den Abstand bei den Betriebskosten zwischen Verbrennen und Elektromobilen zunehmend, was sich letztendlich auf die tatsächlichen Kilometerkosten auswirkt. Eine wichtige Eigenschaft bei Elektromobilen besteht darin, dass ein Ladevorgang der Akkus (oft auch als Stromtanken bezeichnet) deutlich länger dauert als das simple "Einmal Volltanken bitte!" an einer konventionellen Tankstelle. Die Bundesregierung gibt an, dass zum Stand Juni 2020 über 24.000 öffentliche Ladepunkte existieren. (https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Dossier/elektromobilitaet.html)

Auch wenn massive Anstrengungen unternommen werden, dieses Netz stetig auszubauen, ist die Benutzung oft mit Mühen verbunden. Speziell in Dörfern und entlegenen Gegenden müssen Fahrer von Elektroautos unter Umständen weite Strecken zwischen der Ladesäule und der heimischen Garage in Kauf nehmen. Die andere Lademöglichkeit besteht meist darin, dass vom Hersteller mitgelieferte sogenannte "Notladekabel" an eine heimische Steckdose anzuschließen und stundenlang zu warten. Zunehmend finden Wallboxen ihren Weg in die Garagen von Elektroautos, womit die Fahrzeuge bequem zu Hause aufgeladen werden können.

Übersicht über Lademöglichkeiten für ein Elektrofahrzeug

Eine zunehmend beliebtere Alternative zur öffentlicher Ladesäule oder normaler Steckdose ist die Installation einer Wallbox in der heimischen Garage oder Parkplatz. Diese wird mit einer leistungsfähigen Zuleitung versorgt und bietet deutlich höhere Ladeperformance gegenüber der normalen Haushaltssteckdose. In der Praxis ist eine Wallbox 11kW für normale Anwendungen üblich. Die Aufladung des Fahrzeugs erfolgt mit einem speziellen Ladekabel, welches meist über den sogenannten "Typ 2 Stecker" verfügt. Je nach Fahrzeugmodell sind unter Umständen andere Stecker verbaut, wie Typ 1, Typ 3, ChaDeMo oder der Tesla-proprietäre Anschluss. Diese Anschlüsse sind im nordamerikanischen und Asiatischen Raum verbreitet. Für Fahrzeuge im europäischen Raum werden normalerweise Adapterkabel beigelegt, sofern diese nicht ausschließlich auf Gleichstromladung angewiesen sind.

Eine öffentliche Ladesäule ist im Prinzip eine XXL-Wallbox mit mehreren Anschlüssen, die je nach Ausstattung neben der herkömmlichen Wechselstromladung (AC) gleichzeitig Anschlüsse für Gleichstromladung (DC) bietet, wie sie von Tesla und einigen anderen Herstellern verwendet werden. Da hier große Leistungen übertragen werden, benötigen diese öffentlichen Ladepunkte eine deutlich größere Zuleitung als die oben erwähnte Wallbox 11kW. Eine gut ausgestattete Ladesäule ist in der Regel in der Lage, mehrere Fahrzeuge gleichzeitig zu laden und dabei in Summe elektrische Leistung von über 50 kW zu übertragen. Die nächste Generation von Schnelladesäulen, die speziell auf Gleichstromladung ausgelegt ist, kann je nach Autotyp theoretisch weit über 100 kW übertragen. Dies ist deutlich mehr, als ein normales Haus als standardmäßigen Anschluss besitzt. Aus diesem Grunde bedeutet ein Ausbau des Ladesäulennetzes oft, dass neue Stromleitungen verlegt werden müssen.

Zu guter Letzt versorgt die bekannte Schukosteckdose über das sogenannte Notladekabel das Fahrzeug. Dieser ICCB enthält neben den Anschlussleitungen ein kleines Kästchen, welches unter anderem die Kommunikation mit dem Fahrzeug über Fehler und abzurufende Ladeleistung regelt.

Strom ist nicht gleich Strom

Strom ist nicht nur in der Werbung der Stromanbieter bunt, sondern wird auch in verschiedenen Formen transportiert. Aus der (Schuko)Steckdose kommt der bekannte Wechselstrom mit 230 Volt- der Fachmann nennt dies einphasigen Wechselstrom, da neben dem immer vorhandenen Neutralleiter (oder Nulleiter in alten Installationen) nur ein weiterer Leiter Strom transportiert. Stromerzeugung im Kraftwerk findet üblicherweise als Drehstrom statt- zusätzlich zum Neutralleiter wird die Leistung auf drei Phasen (auch Außenleiter genannt) transportiert. Da hier ein Wechselstrom vorliegt, wird von Dreiphasen-Wechselstrom gesprochen, oder Drehstrom, da die Amplituden der Spannung auf den Außenleitern um jeweils 120 Grad versetzt sind. Der alte Begriff Kraftstrom für Drehstrom rührt daher, dass früher Maschinen damit betrieben wurden. Die Energieübertragung vom Kraftwerk zum Verwendungsort findet in der Regel mit dreiphasigem Wechselstrom statt. Hohe Spannungen im Überlandbereich sorgen dafür, dass wenig Transportverluste auftreten. Die Stromversorgung eines Hauses findet üblicherweise ebenfalls mit Drehstrom statt, der erst im Sicherungskasten nach dem Zähler in verschiedene einphasige Wechselstromkreise mit 230 Volt aufgeteilt wird. Eine Wallbox 11kW wird üblicherweise direkt mit einem Drehstromanschluss versorgt. Durch die drei Phasen kann somit die dreifache Leistung bei gleicher Stromstärke gegenüber einer normalen Steckdose übertragen werden. Im Gegensatz zu Generatoren funktionieren Batterien und Akkus mit Gleichstrom und können daher ohne weiteres nichts mit Wechselstrom anfangen. Aus diesem Grund muss Wechselstrom jeder Art zu Gleichstrom umgewandelt werden, bevor eine Batterie oder Akku damit geladen werden kann. In den meisten Elektrofahrzeugen befinden sich entsprechende Gleichrichter, Laderegler genannt, an Bord. Alternativ kann eine Ladesäule mit einem leistungsfähigen Wandler das Auto direkt mit Gleichstrom versorgen, womit aufgrund der direkten Verbindung hohe Leistungen übertragen werden können.

Verkabelung und Sicherheitsmaßnahmen

Elektroautos, die für den europäischen Markt hergestellt werden, sind üblicherweise mit einem Typ 2 Ladestecker ausgestattet. Dieser beinhaltet die fünf Kontakte, die für die Übertragung von Drehstrom notwendig sind, sowie zwei weitere Kontakte für Signalisierung und Kommunikation von der Ladeeinrichtung zum Automobil.

Ein Stecker Typ2-Standard nach IEC 62196 besitzt folgende weitere Kontakte:

Die Kontroll-/Datenleitung CP (Control Pilot) und den Ladekabel-Erkennungs-Kontakt PP (Proximity Pilot / Plug Present). Über den PP-Kontakt wird erkannt, ob ein Ladekabel eingesteckt ist. Weiterhin befindet sich in den Steckern ein Widerstand, mittels dessen die Ladestation feststellen kann, welche Leistung das jeweilige Ladekabel maximal transportieren kann. Ein Ladekabel mit einer Belastbarkeit von 16 Ampere ist beispielsweise für eine Wallbox 11kW vollkommen ausreichend. Wenn dieses Kabel an einer anderen Ladesäule angeschlossen würde, die eine höhere Leistung übertragen könnte, so kann dieses Kabel beschädigt werden. Durch Signalisierung dieser Parameter an das Elektrofahrzeug lassen sich somit unterschiedlich leistungsfähige Komponenten miteinander betreiben. Der CP-Kontakt übermittelt während des Ladevorgangs Statussignale. Dies ist wichtig, wenn das Fahrzeug einen Fehler erkennt und/oder den Ladevorgang geregelt beenden will. Da der Widerstand des Kabels bei der Modulierung dieser Signale eine wichtige Rolle spielt, darf ein Typ2-Ladekabel nicht eigenmächtig verlängert werden.

Die sogenannten Notladekabel (ICCB) enthalten ebenfalls diese Erkennungslogik. Auch wenn diese Geräte prinzipbedingt maximal 16A oder ca. 3,7kW maximale Leistung übertragen, müssen sie überprüfen, ob die Einstellungen des geladenen Fahrzeugs mit der maximalen Belastbarkeit des fest angeschlossenen Ladekabels und der Steckdose übereinstimmen. Besonders Notladekabel, die für den Anschluss an Schukosteckdosen vorgesehen sind, übertragen oft nur 2,3 kW, was ca. 10A entspricht. Bei Problemen muss ein ICCB, eine Wallbox 11kW oder eine Ladesäule die Ladung unterbrechen und einen sicheren Zustand herstellen.

Die Ladegeschwindigkeit ist nicht nur von der Ladestation abhängig

Manchmal kommt das böse Erwachen gleich nach dem Kauf: Das frisch gelieferte Auto wird an eine Wallbox 11kW angeschlossen, und die Ladegeschwindigkeit ändert sich nur marginal gegenüber dem mitgelieferten Anschlusskabel für die Steckdose. Die Ursache ist einfach: In jedem Auto, welches mit Wechselstrom (AC) geladen wird, befindet sich prinzipbedingt ein Laderegler, der den Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt und damit die Batterien lädt. Je nach Ausstattung und Preis des Autos sowie der enthaltenen Batteriekapazität werden Laderegler unterschiedlicher Leistung verbaut. Bei Plug-in-Hybriden mit einer elektrischen Reichweite von 50 km werden oft lediglich einphasige Laderegler eingebaut, die mit 16A laden können. Aber auch nicht alle größeren Autos werden mit dreiphasigen Wandlern ausgestattet: VW liefert Fahrzeuge wie den e-Golf (ab 2017) aus, die zweiphasig 16A ziehen.

Bei Herstellern aus Asien wartet eine weitere potenzielle Falle:

Da im asiatischen Raum dreiphasige Anschlüsse wenig verbreitet sind, werden hier oft einphasige Wandler eingebaut, die dann 32A verarbeiten können. Hiermit lassen sich dann ebenfalls die 7,4kW Leistung laden, aber hierzu müssen entsprechend leistungsfähige Steckdosen und Verkabelung vorliegen. Dies betrifft beispielsweise Fahrzeuge von Nissan und Kia. An einer Wallbox 11kW, die mit 3x16A angeschlossen ist, darf ein solches Fahrzeug nur 3,7kW auf einer Phase entnehmen, da ansonsten die Zuleitung überlastet wird und die Sicherung auslöst. In einem solchen Fall wird bei der Kommunikation zwischen Wallbox und Auto ausgehandelt, welcher kleinste gemeinsame Nenner benutzt werden kann. An einer dreiphasigen Wallbox 11kW wird somit ein solches Fahrzeug seinen Ladestrom auf 16A drosseln und somit eine Überlastsituation vermeiden.

Genehmigungsverfahren beim Energienetzbetreiber

Vor der Installation einer Wallbox sind einige bürokratische und planerische Arbeiten zu erledigen. Der Netzbetreiber, der die "Kabel auf dem letzten Kilometer" betreut, benötigt einige Angaben, um sein Netz entsprechend zu planen und auszulegen. Der Hintergrund ist einfach: Ähnlich wie bei Flugreisen, bei denen ein Flieger überbucht wird, kommt bei den typischen Verbrauchern im Haushalt ein sogenannter Gleichzeitigkeitsfaktor zum Tragen. Dieser bedeutet, dass die Zuleitung vom Strassenverteiler in das Haus eine theoretische Maximalleistung besitzt, von der aber in der Praxis selten die volle Leistung abgerufen wird. Ähnliche Betrachtungen finden ebenfalls für die Strassenverteilerkästen und Trafohäuschen statt. Im Falle eines Elektroautos ändern sich jedoch einige der Annahmen: Ein Elektroauto wird nach Start des Aufladevorganges mehrere Stunden konstant seinen Anschluss auslasten und somit die bisherige Kalkulation mit versetzter Nutzung von Elektrogeräten wie Waschmaschine, Herd, Licht etc. verschieben. Da somit unter Umständen das Stromnetz verstärkt werden muss, gelten bezüglich Ladepunkten für E-Mobilität folgende Regeln:

Gemäß §19 der Niederspannungsanschlussverordnung (NAV) müssen Ladeeinrichtungen mit einer Leistung bis einschließlich 12 kW gemeldet werden. Überschreitet die Summen-Bemessungsleistung der Wallbox 12 Kilovoltampere ist zudem die vorherige Zustimmung des Netzbetreibers notwendig. Der Netzbetreiber ist hier nicht automatisch mit dem Stromanbieter oder Stromerzeuger identisch! Der Stromanbieter kann aber Auskunft geben, welcher Netzbetreiber für den jeweiligen Anschluss zuständig ist.

Konkret bedeutet dies: Wird eine neue Steckdose in der Garage eingebaut, an der regelmässig das Auto über Nacht geladen wird, so reicht eine kurze Nachricht an den Netzbetreiber. Auch eine Wallbox 11kW liegt haarscharf unter dieser Grenze. Oberhalb der 12kW muss der Netzbetreiber unter Umständen davon ausgehen, dass einzelne Zuleitungen überlastet werden können und prüft daher im Vorfeld, wie das zu erwartende Lastprofil ausschaut. Bei einer Wallbox 11kW oder zweien davon in einer häuslichen Garage, wo die Autos über Nacht geladen werden, sieht die Nutzung anders aus als auf einem Firmenparkplatz, wo Mitarbeitern Lademöglichkeiten für ihre Autos zur Verfügung stehen. In letzterem Fall können die Lastschwankungen im Stromnetz beträchtlich sein, wenn morgens zu Arbeitsbeginn mehrere kräftige Laderegler mit ihrer Arbeit beginnen.

Nachträglicher Einbau einer Lademöglichkeit

Der nachträgliche Einbau einer Wallbox 11kW ist oft weniger kompliziert, als oft gefürchtet wird. Allerdings sind einige wichtige Punkte zu beachten, weshalb die Planung und vorgeschriebene VDE Prüfung nach Einbau von Fachleuten erledigt werden soll. Wichtig ist die Überprüfung der vorhandenen Hausinstallation, ob diese mit der zu erwartenden Belastung funktioniert. Hier ist der Querschnitt der Hauszuleitung (vom Strassenverteiler) wichtig sowie die Absicherung des Stromzählers. Die nächste Frage ist die der Zuleitung. Oft wird versucht, bestehende Verkabelungen zu nutzen, um Aufwand und Kosten einer Neuverlegung zu sparen. Hier muss darauf geachtet werden, dass sowohl der Querschnitt des Kabels als auch dessen Verlegeart zu der erwartenden Belastung passen. Eine Leitung, die in einer Garage auf Putz verlegt ist, kann beispielsweise ihre Abwärme besser an die Umgebung abgeben als eine Leitung in einem Schutzrohr. Ist für die Zukunft alles offen, so wird oft empfohlen, zumindest die Zuleitung eine Stufe größer auszulegen, damit im Falle von Aufrüstungen oder der Montage einer zweiten Steckdose oder Wallbox 11kW keine unnötigen Mehraufwendungen entstehen. Hierdurch ist gewährleistet, dass alle nach VDE vorgeschriebenen Regeln und Sicherheitsmaßnahmen eingehalten werden. Hierzu gehört vor allem die Verwendung von FI-Schutzschaltern für alle (laienbedienbaren) Endstromkreise. Diese schützen nicht nur Personen vor elektrischen Schlag, sondern bieten potenziell auch bei schmorenden Klemmen in einer Verteilerdose Schutz vor einem Schwelbrand.

Im Falle von Ladepunkten für die Elektromobilität kommt noch eine weitere Herausforderung hinzu: Da bei einem Defekt des Fahrzeugs Gleichstrom am Hausnetz anliegen kann, muss hier ebenfalls Vorsorge getroffen werden. Der Schutz vor Gleichströmen größer 6 Milliampere ist hier immens wichtig. Grund: Wenn durch einen FI-Schalter Typ A mehr als 6 mA DC fließen, wird dieser "blind", weil der Wandler in Sättigung geht. Das bedeutet, dass er nicht mehr auslöst und somit keinen Schutz mehr bietet. Im gewerblichen Bereich werden oft FI Typ B installiert, die diese Problematik nicht haben, ansonsten ist bei modernen Wallboxen 11kW in den meisten Fällen eine Gleichstromüberwachung integriert, die bei entsprechenden Fehlern auslöst. Eine Alternative ist ansonsten ggf. die Verwendung des neuen Fi-Schalters Typ A-EV, der einen Typ A mit integrierter Gleichstromerkennung 6mA beinhaltet.

Ausstattung des Ladepunktes

Abhängig von den Bedürfnissen und Anforderungen bietet eine Wallbox 11kW gewisse Vor- als auch Nachteile gegenüber anderen Lösungen. Wallboxen wie auch Ladesäulen verfügen in der simpelsten Variante nurmehr über die notwendigsten Bestandteile, um ein Ladekabel anzuschließen. Vielfach ist das Ladekabel mit dem Typ 2 Stecker bereits fest integriert. Sinnvolle Ausstattungsoptionen umfassen Zugangssperren wie Schlösser oder Keycardsysteme, damit in Bereichen ausserhalb einer abgeschlossenen Garage niemand Strom unberechtigt entnehmen kann. Je nach Typ der Wallbox ist für Wallboxen höherer Leistung ggf. ein Modell mit 2 Abgängen sinnvoll, welches die Leistung dynamisch verteilen kann. Eine gut ablesbare Anzeige, wie weit der Ladevorgang fortgeschritten ist Inc. einer Fehleranzeige ist ebenfalls ein Merkmal, welches im Alltag angenehm ist.

Fortgeschrittene Ausstattungsmerkmale sind meist für den gewerblichen Bereich interessant, wie Erfassung des verbrauchten Stromes mittels Keycards, um diese auf Mitarbeiter umzulegen. Interessant für größere Anlagen sind Wallboxen, die digital mit Stromverbrauchserfassungen kommunizieren. Diese ermöglichen dem Facility Management einen guten Einblick in die Infrastruktur. Oft werden Ladepunke auch vernetzt, damit eine Laststeuerung incl. Lastabwurfszenarien implementiert werden kann.

Vorteile von Wallboxen 

• Eine Wallbox bietet im privaten Umfeld die Möglichkeit, ein Elektrofahrzeug zu Hause in akzeptabler Geschwindigkeit zu laden.
• Ein weiterer Punkt sind die Stromkosten: Teilweise ist die Kilowattstunde an einer öffentlichen Ladesäule dreimal so teuer wie an der heimischen Steckdose. Hier kann sich der Fahrer ausrechnen, wann sich abhängig von der Fahrleistung die Installation einer Wallbox 11kW amortisiert hat.
• Ein anderes Argument ist die Stabilität des Steckers. Dieser ist anders als der Schukostecker für hohe Dauerlast ausgelegt und schont somit die Steckdosen.
• Im gewerblichen Umfeld ergeben sich weitere Aspekte: Durch ein Lademanagement lassen sich auch größere Bestände an (Firmen)Fahrzeugen schonend laden und die Kosten auf die jeweiligen Fahrzeuge umlegen. Besuchern der Firma kann ein professioneller Ladeplatz am Besucherparkplatz angeboten werden.
• Eine Wallbox 11kW, die wahlweise einphasig oder dreiphasig betrieben werden kann, stellt einen Migrationspfad zu künftigen Erweiterungen dar.

Nachteile von Wallboxen 

• Die Installation einer Wallbox ist stellenweise aufwändig, gerade bei der Ertüchtigung von Altbauten. Diese sind stellenweise nicht auf eine dreiphasige Versorgung ausgelegt.
• Wallboxen sind nur sinnvoll einzusetzen, wenn diese deutlich mehr Strom liefern können als Steckdosen, was eine entsprechend leistungsfähige Installation voraussetzt. Oft müssen hierfür neue Leitungen gelegt werden.
• Bei Errichtung von Leistungen größer als eine Wallbox 11kW muss ein Genehmigungsverfahren des Netzbetreibers durchlaufen werden, welches unter Umständen Monate dauern kann, bis eine Genehmigung erteilt wird.
• Vor Einbau muss ein Fachmann diesen planen, da ansonsten Gefahr besteht, dass Leitungen überlastet werden oder durch mangelhaft implementierte Sicherheitsmaßnahmen Schaden entsteht.
  
  

Fazit

Wallboxen sind ein wichtiges Element, um die Elektromobilität weiter voranzubringen. Die Ladezeiten von Fahrzeugen gegenüber dem Ladevorgang an einer Haushaltssteckdose werden potentiell deutlich reduziert, was gerade für Berufstätige mit langem Arbeitsweg ein wichtiges Argument ist. Für Vielfahrer amortisiert sich bereits eine private Wallbox 11kW in kurzer Zeit durch die Kostenersparnis gegenüber öffentlichen Ladesäulen. Bei Anschaffung muss jedoch sorgfältig geplant werden, um unangenehme Überraschungen zu vermeiden. Hierzu gehören öffentliche Fördermittel und Prämien, deren Bewilligung je nach Standort extrem unterschiedlich gehandhabt werden. Firmen können hiermit ihren Fuhrpark auf Elektromobilität umstellen und somit einen Beitrag zur Energiewende leisten. Zusammengefasst kann man sagen, dass die Installation weiterer Ladepunkte, angefangen bei einer Wallbox 11kW, ein wichtiger Schritt für zunehmende Elektromobilität ist.