Noch spielen die »Stromer« im Alltagsverkehr eine Exotenrolle. In wenigen Jahren aber sollen sie zu einer relevanten Größe werden und die Umweltauswirkungen des Verkehrs in Deutschland merklich reduzieren. Dafür muss nicht nur das Fahrzeugangebot überzeugen. Stimmen müssen dafür auch die technischen und organisatorischen Rahmenbedingungen. Fraunhofer-Institute entwickeln dafür eine Vielzahl von Lösungsansätzen: Von der Nutzerfreundlichkeit über die Ladetechnik und -Infrastruktur bis hin zur Einbindung der E-Mobility in das Energiesystem.

Im Jahr 2020 soll die erste Million Elektrofahrzeuge auf deutschen Straßen unterwegs sein – so lautet das Ziel, das sich die Bundesregierung 2011 gesteckt hatte. Zur Halbzeit sieht es allerdings nicht danach aus, dass die Zielvorgabe erreicht wird. Deutschlandweit sind aktuell erst 33.000 E-Cars zugelassen. Dennoch gibt es Anzeichen, dass der Markt zunehmend Fahrt aufnimmt. Ende 2015 können Interessenten hierzulande bereits aus rund dreißig Fahrzeugmodellen bei den Händlern wählen. Damit die Elektromobilität in den kommenden Jahren doch noch zu einer Erfolgsgeschichte wird, ist allerdings weit mehr notwendig als eine attraktive Auswahl beim Fahrzeughändler.

Eine Schlüsselrolle für steigende Akzeptanz und damit Käuferinteresse spielt die Ausgestaltung der Ladeinfrastruktur inklusive der dahinterliegenden Prozesse. Hier gibt es eine ganze Reihe von »Baustellen«, die in Angriff genommen werden müssen. Im Mittelpunkt stehen dabei IT-Systeme. Sie werden unter anderem dafür genutzt, unterschiedliche Bereiche und Akteure der Elektromobilität intelligent miteinander zu vernetzen. Den E-Fahrern ermöglichen sie beispielsweise, überall auf ihrer Strecke einfach und komfortabel eine freie Ladesäule anzusteuern. Hängen er und mehrere seiner E-Kollegen dann am Stecker, verhindert die IT-Vernetzung, dass die lokalen Stromnetze dadurch überlastet werden. Vor allem aber muss die IT den Informations-Verkehr in den Datennetzen so intelligent steuern, dass der Energiefluss zwischen den Erzeugern von (ökologischem) Strom, den Ladesäulen und den Fahrzeugen möglichst ideal ausbalanciert ist. Ziel ist es, die Batterien der »Stromer« nicht nur rechtzeitig bis zur nächsten Fahrt mit ausreichend Energie zu versorgen, sondern gleichzeitig sicherzustellen, dass sie möglichst viel Sonnen- und Windstrom tanken können.

E-Flotten als Pilotanwender

Auf dem Gelände des Fraunhofer-Institutszentrums Stuttgart IZS sind Lösungen für die Mobilitätszukunft bereits heute in Betrieb: Die Mitarbeiter der Stuttgarter Fraunhofer-Institute nutzen dafür eine Forschungsflotte aus mehr als zwanzig Fahrzeugmodellen mit Elektro- und Hybridantrieb. Dreißig Ladesäulen, teils mit unterschiedlicher Ladetechnik ausgerüstet, versorgen den Fahrzeug-Pool mit Antriebsenergie. Alle Fahrzeuge, Ladesäulen und das dahinter liegende Energiesystem sind intelligent miteinander vernetzt. »Die IT-Unterstützung reicht vom Buchungs- und Abrechnungssystem, über das die Mitarbeiter die Elektrofahrzeuge komfortabel nutzen können, bis zum Lademanagement, das Lastspitzen im Netz vermeidet, auch wenn viele Fahrzeuge gleichzeitig an den Ladesäulen hängen«, erklärt Gabriele Scheffler vom Fraunhofer-Kompetenzzentrum für energetische und informationstechnische Mobilitätsschnittstellen KEIM.

Dafür haben die Forscher Ergebnisse und Softwarelösungen aus mehreren von Bundesregierung und dem Land Baden Württemberg geförderten Projekten zu einem umfassenden E-Mobility-System verknüpft. Dabei kommt unter anderem der vom Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO gemeinsam mit Forschungspartnern entwickelte »EcoGuru« zum Einsatz. Die Software ermöglicht eine einfache und optimierte Disposition von Elektro- und gemischten Fahrzeugflotten. Um ein Fahrzeug zu buchen, muss der Fahrer lediglich eingeben, in welchem Zeitraum er ein Fahrzeug benötigt, und sein Fahrziel beziehungsweise die Strecke, die er zurücklegen will. Das Flotten-Managementsystem ist laufend mit allen Fahrzeugen und der Ladeinfrastruktur vernetzt. Damit weiß es jederzeit über den aktuellen Ladezustand der Fahrzeugbatterien und die aktuelle Belegung der Ladesäulen Bescheid. So lassen sich die anstehenden Fahrten optimal und dynamisch planen. Die Forscher des IAO arbeiten zudem mit einem intelligenten Lademanagementsystem. »Wir wissen jederzeit, wie viel Strom noch in den einzelnen Fahrzeugen ist und wann sie wieder zum Einsatz kommen. Das Laden der Fahrzeuge kann damit gesteuert erfolgen. Durch kontrollierte Ladeleistungen oder zeitlich versetztes Laden innerhalb der verfügbaren Zeitspanne können mit dem Energieversorger abgestimmte Lastkurven berücksichtigt und damit kritische Netzsituationen vermieden werden«, urteilt Scheffler.

Aktuell erweitern die Forscher am Fraunhofer IAO ihre E-Mobility-Infrastruktur um ein »Micro Smart Grid«. Das intelligente Stromnetz verknüpft das Lademanagement direkt mit den vor Ort vorhandenen Photovoltaikmodulen, stationären Batteriespeichersystemen und einer geplanten Windenergieanlage. Im Rahmen des Verbundprojekts »Charge@Work« wollen die Forscher zudem Managementlösungen demonstrieren, die dafür sorgen, dass in die Batterietanks ihrer Fahrzeugflotte möglichst viel des lokal erzeugten Stroms aus regenerativer Energie geladen wird.

»Der Alltagsbetrieb von Elektro- und Hybridfahrzeugen ist nach aktuellem Stand insbesondere beim Einsatz in Fahrzeugflotten wirtschaftlich sinnvoll«, betont Scheffler. Schließlich könnten in einem optimal genutzten Fahrzeug-Pool die geringeren Kilometerkosten voll genutzt werden. Dank intelligenter IT-Unterstützung bei der Organisation von Fahrten und Ladevorgängen lässt sich der höhere Anschaffungspreis zügig amortisieren (siehe dazu auch Innovisions-Artikel »E-Mobility gemeinsam (er)fahren«).

Flächendeckend Strom tanken

Damit die Elektromobilität auch beim Individualverkehr in Fahrt kommt, darf sich die intelligente Vernetzung von Fahrern, Fahrzeugen, Ladeinfrastruktur und Stromnetz nicht auf die lokale Ebene beschränken. Aktuell werden E-Cars zum Nachladen noch zum größten Teil an ihrer »Homebase« angesteckt. Dies gilt für einzelne Elektrofahrzeuge ebenso wie für den E-Flottenbetrieb. Ihren Fahrern steht damit als Maximalentfernung faktisch nur die halbe Reichweite der Batterietanks zur Verfügung. Wie die Lademöglichkeiten auch während eines Zwischenaufenthalts und am Zielort deutlich verbessert werden können, haben Forscher vom Fraunhofer-Institut für Offene Kommunikationssysteme FOKUS für Berlin und Brandenburg grundlegend analysiert. Denn sicher ist, dass ein massiver Ausbau des Ladesäulennetzes alleine noch nicht die notwendige Antriebskraft sichern wird. Was soll ein Fahrer machen, wenn er am Zielort eintrifft und die von ihm herausgesuchte Lademöglichkeit in nächster Nähe dann schon belegt ist?

»Ohne eine geeignete Vernetzungslösung für das Ladesäulenmanagement würde unweigerlich ein erheblicher Verkehr der Elektrofahrzeugen entstehen, die auf der Suche nach einer zwingend benötigten freien Lademöglichkeit von Station zu Station irren«, sagt Dr. Björn Schünemann von Fraunhofer FOKUS. Damit E-Fahrer das Nachladen am Zielort fest und problemlos einplanen können, entwickelten er und sein Team im Rahmen des vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung geförderten Projekts »eMERGE« ein System zur intelligenten Ladesäulenreservierung: Der Fahrer gibt über eine App den gewünschten Abfahrtszeitpunkt und den Zielort ein. Das System sucht freie Lademöglichkeiten in der Nähe, navigiert den Fahrer gezielt dorthin und reserviert für den errechneten Ankunftszeitpunkt eine Ladesäule.

»Freie Fahrt für die Elektrischen!«
Simulationen im Stadtverkehr 2025 zeigen: Intelligentes Ladesäulenmanagement spart mehr als ein Viertel Fahrweg ein. Bild: Fraunhofer FOKUS

Um die künftigen Auswirkungen eines derartigen Systems im Stadtumfeld mit mehreren Tausend Elektrofahrzeugen testen und bewerten zu können, drehten die Forscher die Zeit um zehn Jahre weiter: Sie berechneten auf einer am Fraunhofer FOKUS entwickelten Simulationsumgebung zur Bearbeitung komplexer Fragestellungen die E-Mobility-Situation in Berlin und Brandenburg im Jahre 2025. Als Grundlage dienten von den Spezialisten für Verkehrsprognosen der PTV AG erstellte Vorhersagedaten zur Entwicklung der Elektromobilität in der Region. In Simulationsläufen wurde die Situation für verschiedene Nutzergruppen wie Car-Sharing-Kunden, Weitpendler oder Geschäfts- und Individualfahrten ohne und mit Einsatz der App für die automatisierte Ladesäulenreservierung getestet – mit eindrucksvollen Ergebnissen: Der Ergebnisvergleich belegt, dass durch das intelligente Ladesäulenmanagement mehr als ein Viertel der insgesamt zurückgelegten Kilometer eingespart werden können.

Das zeit- und möglichst ortsunabhängige Aufladen von Elektrofahrzeugen ist nicht nur in Hinblick auf die Reichweiten essentiell. Flächendeckende Lademöglichkeiten bieten zudem die Möglichkeit, den (lokal) regenerativ erzeugten Strom aus Windkraft und Sonnenenergie (fast) ohne Umwege direkt vor Ort nutzen zu können und damit das überregionale Stromnetz zu entlasten. Mit Unterstützung der Computersimulationen entwickelten die Forscher am Fraunhofer FOKUS deshalb Steuermechanismen, mit denen Ladevorgänge möglichst »passend« auf die witterungsabhängige Stromproduktion abgestimmt werden können. »Für den einzelnen Fahrzeughalter ist letztendlich nur wichtig, dass sein Fahrzeug beispielsweise zu Büroschluss ausreichend Energie für den Heimweg hat«, erklärt Schünemann. Wann und mit welcher Ladeleistung der Strom im Verlauf seiner angegebenen Parkzeit in die Batterie kommt, sei für ihn nicht weiter von Interesse. »Für die Stabilität des Energiesystems als Ganzes aber ist es immens wichtig, dass die Elektromobilität gezielt die Einspeisespitzen der Windenergie abfangen kann«, so Schünemann. Wie sinnvoll das Einbeziehen des regional erzeugten Ökostroms ist, belegen Simulationen von Fraunhofer FOKUS, die auf Grundlage von Daten zur Windstromerzeugung des Projektpartners RWE durchgeführten wurden: Danach lassen sich die technisch mitunter hochproblematischen Lastpeaks mit Hilfe eines umfassenden IT-Systems erheblich verringern.

Cloud bringt E-Mobility in Fahrt

Beispielhaft für viele weitere Forschungsprojekte zur E-Mobility zeigen die Projekte der Stuttgarter und Berliner Fraunhofer Forscher, dass die elektronische Vernetzung aller Akteure eine zentrale Rolle für eine komfortable und nachhaltig gestaltete Zukunft der E-Mobilität spielt. Eine umfassende und flexible IT-Plattform dafür entwickeln und testen Wissenschaftler am Institutsteil Angewandte Systemtechnik AST des Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB in Ilmenau. Im Projekt »Smart Mobility in Thüringen – sMobiliTy« nutzen sie eine Cloud-Lösung, über die alle nötigen Vernetzungen aufgebaut werden. »Unsere Smart Mobility Cloud arbeitet als Datenschnittstelle zwischen intelligenten Elektromobilen, einem Smart Grid und künftigen Smart-Traffic-Systemen«, erklärt Oliver Warweg vom Fraunhofer IOSB-AST. Auf diese Weise können - neben den nötigen Abstimmungen zwischen Elektrofahrzeugen, Ladeinfrastruktur und den Energienetzen – auch aktuelle Informationen zur Verkehrssituation auf den Straßen und Navigationslösungen für die Routenoptimierung miteinander verknüpft werden.

»Freie Fahrt für die Elektrischen!«
Die Smart Mobility Cloud von Fraunhofer ITWM vernetzt Elektrofahrzeuge, Ladeinfrastruktur, Energiesystem und Verkehrsmanagement. Bild: Fraunhofer ITWM

Auch die Ilmenauer Forscher richten ihren Fokus aber zunächst darauf, das Ladeverhalten der Elektrofahrzeuge mit der Stromerzeugung aus Solaranlagen besser abstimmen zu können. »Von der Seite des Energiesystems könnten in die Mobility-Cloud täglich die aktuellen Prognosedaten einfließen, wann und wie viel regenerativer Strom am nächsten Tag zur Verfügung steht. Und die Nutzer der Elektroautos geben beispielsweise über eine App ihre Fahrtwünsche an«, so Warweg. Mit diesen Daten können die Stromnetzbetreiber und Energielieferanten wesentlich genauer vorausplanen und das Lademanagement für die E-Cars so steuern, dass sie gezielt zu Zeiten in denen viel regenerativ erzeugter Strom verfügbar ist mit voller Leistung geladen werden. (stw)

Keine Kommentare vorhanden

Das Kommentarfeld darf nicht leer sein
Bitte einen Namen angeben
Bitte valide E-Mail-Adresse angeben
Sicherheits-Check:
Sieben + = 11
Bitte Zahl eintragen!
image description
Experten
Alle anzeigen
Dr. rer. nat. Björn Schünemann
  • Fraunhofer-Institut für Offene Kommunikationssysteme FOKUS
Gabriele Scheffler
  • Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO
Oliver Warweg
  • Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB
Weitere Artikel
Alle anzeigen
Säulen der E-volution
Der elektronische Vorkoster
E-Mobility gemeinsam (er)fahren
Stellenangebote
Alle anzeigen