Vehicle-to-Grid: Wie Elektrofahrzeuge zu Speichern im Smart Grid werden
Elektrofahrzeuge entwickeln sich zunehmend von reinen Stromverbrauchern zu aktiven Bestandteilen der Energienetze. Mit Vehicle-to-Grid (V2G) bezeichnet man die Nutzung der Batterien von Elektrofahrzeugen, um gespeicherte Energie bei Bedarf wieder ins Netz einzuspeisen und so Lastspitzen auszugleichen. Damit werden sie zu dezentralen Speichern, die zur Netzstabilität und zur Integration erneuerbarer Energien beitragen. Voraussetzung ist eine bidirektionale Leistungselektronik, die den Energiefluss effizient und netzkonform steuert.
Wie funktioniert bidirektionales Laden?
Beim konventionellen Laden eines Elektrofahrzeugs fließt elektrische Energie in eine Richtung: vom Stromnetz in die Fahrzeugbatterie. Bidirektionales Laden ermöglicht den Energiefluss ebenso in umgekehrter Richtung. Das Elektrofahrzeug kann dadurch den in der Batterie gespeicherten Strom wieder an das Stromnetz abgeben. Je nach Ziel des Stromflusses unterscheidet man folgende Szenarien:
- Vehicle-to-Home (V2H): versorgt das eigene Hausnetz
- Vehicle-to-Building (V2B): versorgt Gebäude- oder Unternehmensnetze
- Vehicle-to-Grid (V2G): versorgt das öffentliche Stromnetz
Da die Hochvoltbatterie des Fahrzeugs Gleichstrom (DC), das Stromnetz jedoch Wechselstrom (AC) nutzt, ist eine entsprechende Gleichrichtung bzw. Invertierung über Leistungselektronik in Form von AC/DC- bzw. DC/DC-Wandlern erforderlich. Je nach Ladekonzept erfolgt die Umwandlung entweder direkt im Fahrzeug (AC-V2G) oder in der der Wallbox (DC-V2G).
On-Board oder Off-Board: Wo findet die Stromwandlung statt?
Für die Leistungselektronik, die für das bidirektionale Laden nötig ist, kommen grundsätzlich sogenannte On-Board- oder Off-Board-Konfigurationen infrage. Beim On-Board-Konzept oder AC-V2G erfolgt die AC/DC-Wandlung direkt im Fahrzeug. Hierfür ist ein bidirektionaler On-Board-Charger (OBC) erforderlich, der sowohl das Laden der Batterie als auch die Rückspeisung ins Wechselstromnetz ermöglicht. Beim Off-Board-Konzept oder DC-V2G erfolgt die Wandlung hingegen direkt in der Wallbox.
Innerhalb der On- und Off-Board-Konfigurationen kommen unterschiedliche Inverter- und Wandler-Topologien zum Einsatz, um den bidirektionalen Energiefluss zwischen Stromnetz und Fahrzeugbatterie zu ermöglichen. Welche Architektur für das bidirektionale Laden zum Einsatz kommt, beeinflusst nicht nur die Leistungselektronik, sondern ebenfalls die Gesamtkosten und die Komplexität des Fahrzeugs sowie der Ladeinfrastruktur.
Wie stabilisieren Elektrofahrzeuge das Smart Grid?
Mit V2G können Elektrofahrzeuge nicht nur Strom aus dem Netz aufnehmen, sondern gespeicherte Energie bei Bedarf wieder ins Netz einspeisen. Hiermit können Netzbetreiber Fahrzeugbatterien als flexible Speicher in das Smart Grid einbinden. Besteht beispielsweise ein Überangebot an erneuerbarer Energie, können die Fahrzeuge Strom aufnehmen, der den zeitgleichen Bedarf übersteigt. Steigt die Stromnachfrage zu einem späteren Zeitpunkt wieder an, können die Fahrzeuge die gespeicherte Energie wieder ins Netz zurückspeisen.
Darüber hinaus können gebündelte Fahrzeugbatterien perspektivisch Systemdienstleistungen des Stromnetzes übernehmen. Im Forschungsprojekt „Bidirektionales Lademanagement“ wurden unter anderem
- Primärregelleistung,
- Redispatch und
- lokale Netzdienstleistungen
als V2G-Anwendungsfälle untersucht. Fahrzeuge könnten damit nicht nur Energie zwischenspeichern, sondern ihre Lade- und Entladeleistung auch zur Stabilisierung des Stromsystems bereitstellen.
Welche Schnittstellen und Standards braucht V2G?
Für eine herstellerübergreifende Nutzung müssen Fahrzeug, Ladeinfrastruktur, Backend und Energiesystem interoperabel kommunizieren. Hierfür gibt es derzeit folgende Normen und Standards:
- Die ISO 15118 bildet eine zentrale Grundlage für die Kommunikation zwischen Elektrofahrzeug und Ladeeinrichtung.
- Das Open Charge Point Protocol (OCPP) verbindet dagegen Ladestation und Backend beziehungsweise Ladepunktmanagement.
- Das Open Smart Charging Protocol (OSCP) adressiert den Austausch verfügbarer Netzkapazitäten zwischen Energiesystem und Ladeinfrastruktur.
Für eine netzdienliche Steuerung reicht die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladepunkt allein jedoch nicht aus. Nach Einschätzung des VDE fehlen derzeit noch geeignete Rückmeldesignale aus dem Stromnetz. So orientieren sich bestehende Systeme beispielsweise am Strompreis, berücksichtigen jedoch nicht, ob aktuell erneuerbare Energie im Überschuss vorhanden ist. Solche Informationen könnten künftig dazu beitragen, Lade- und Rückspeisevorgänge gezielt an die Situation im Stromnetz anzupassen.
Wo liegen die technischen und regulatorischen Grenzen von V2G?
Eine technische Herausforderung von V2G ist derzeit noch die zusätzliche Beanspruchung der Fahrzeugbatterie. Mit dem wiederholteb Laden und Entladen steigt die Zahl der Ladezyklen, was den Alterungsprozess der Batterie beschleunigen kann. Wie stark dieser Effekt ausfällt, hängt jedoch vom jeweiligen Nutzungsprofil, der Batterietechnik und weiteren Einflussfaktoren ab. So können beispielsweise intelligente Ladestrategien dazu beitragen, die zusätzliche Alterung zu begrenzen. Aktuelle Untersuchungen deuten darauf hin, dass sich die zusätzliche Batteriealterung durch intelligent gesteuertes V2G begrenzen lässt.
Hinzu kommen Verluste bei der Energieübertragung. Im Feldversuch des Forschungsprojekts „Bidirektionales Lademanagement“ erreichten die eingesetzten Elektrofahrzeuge beispielsweise einen durchschnittlichen Round-Trip-Wirkungsgrad von rund 80 Prozent. Mit einer optimierten Steuerung und Planung ließ sich die Effizienz im Verlauf des Versuchs verbessern. Für V2G kommt es deshalb darauf an, die zusätzliche Nutzung der Batterie und die Energieverluste gegen den Nutzen der bereitgestellten Flexibilität abzuwägen.
Leistungselektronik verbindet Mobilität und Stromnetz
Mit der zunehmenden Sektorkopplung wird das Stromnetz zur zentralen Drehscheibe für erneuerbare Energien. Dabei wächst die Bedeutung von Leistungselektronik und digitalen Systemen. Stromrichter übernehmen neben der Energieumwandlung zunehmend netzdienliche Funktionen und tragen zur Stabilität dezentraler Smart Grids bei. Technologien auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) können dabei Vorteile auf Systemebene ermöglichen.
Die Relevanz von Leistungselektronik für die electronica Community
Für die electronica 2026 rücken Technologien entlang der gesamten Umwandlungskette in den Fokus: Leistungshalbleiter und Power-Module, SiC und GaN, Gate-Treiber, passive Komponenten sowie Embedded-Systeme und Energiemanagement.
Foren auf der Messe wie das Power Electronics Forum sowie das Automotive Forum greifen aktuelle Trends in den Bereichen V2G und Leistungselektronik auf und geben Einblicke in wichtige Fragestellungen rund um diese Technologien.