Klimaschutz- und Energieagentur Niedersachsen

Bei der grünen Kurve in der unten dargestellten Abbildung handelt es sich um eine typische PV-Erzeugung an einem sonnigen und wolkenlosen Tag im Juli. Am Vormittag steigt die PV-Erzeugungsleistung im Zuge der aufgehenden Sonne an. Um etwa 12:00 Uhr erreicht die Erzeugungsleistung der PV-Anlage dann aufgrund der Südausrichtung und der Mittagssonne ihr Maximum bei etwa 3,3 kW = 3300 W. Am Nachmittag reduziert sich dann die PV-Erzeugung wieder und nähert sich um ca. 19:00 Uhr dem Nullpunkt an. Die blaue Kurve beschreibt die gemessene Stromeinspeisung am Strommessgerät.

 _{Ladevorgang unter Anwendung des Ladeziegels (Ladeleistung: 2,3 kW), PV-Anlagenleistung: 4,3 kWp}

Von 5:00 Uhr bis ca. 9:30 Uhr wird der im Haus verbaute Batteriespeicher (4kWh) geladen. Ab etwa 9:30 Uhr ist der Batteriespeicher des Hauses vollständig geladen. Das lässt sich daran erkennen, dass sich die Netzeinspeisung fast vollständig mit der PV-Stromerzeugung deckt.

Ab 10:30 Uhr übersteigt dann die Einspeiseleistung den im Strommessgerät eingestellten Grenzwert. Das Strommessgerät sendet daraufhin ein Schließsignal zum Schalter vor dem Ladeziegel, wodurch der Ladevorgang durch den Ladeziegel gestartet wird. Das Zuschalten ist daran zu erkennen, dass sich die Einspeiseleistung ins Stromnetz schlagartig um etwa 2,3 kW = 2300 W reduziert. Der Strom wird also nichtmehr für eine geringe Einspeisevergütung ins Stromnetz eingespeist, sondern stattdessen ins Elektroauto geladen.

Ab etwa 16:30 Uhr sinkt dann die Erzeugungsleistung der PV-Anlage so weit ab, dass zusätzlicher Netzstrom benötigt wird, um die Ladeleistung von 2,3 kW abzudecken. Das Strommessgerät bemerkt dies und trennt daraufhin durch Senden eines Öffnungssignals den Ladeziegel vom Haushaltsstromkreis ab.
Wer das Elektroauto dennoch weiterhin laden will, kann dies natürlich mithilfe von Strom aus dem Stromnetz tun, indem der Abschaltwert herabgesetzt wird. Der Ladevorgang wird dann beendet, wenn das Elektroauto den im Elektroauto eingestellten maximalen Ladezustand erreicht hat.

_{Der Ladeziegel lädt mit einer vergleichsweise geringen Ladeleistung. Bild: KEAN}

Vor- und Nachteile des Ladeziegels

Der Ladeziegel hat neben einer „langen Ladedauer" den Nachteil, dass es aufgrund der geringen Ladeleistung in den meisten Fällen zu einer zusätzlichen Netzeinspeisung kommt. Im Beispiel von Andreas Stampa bedeutet dies, trotz des Ladevorgangs etwa 1 kW = 1000 W ins Netz eingespeist werden. Optimaler wäre es, wenn kein Strom eingespeist würde, sondern der selbst erzeugte Strom maximal für die Beladung des E-Fahrzeugs genutzt würde.

Dieser Nachteil der geringeren Ladeleistung ist aber gleichzeitig ein nicht zu unterschätzender Vorteil, der vor allem im Hinblick auf kleinere PV-Anlagen, eine weniger optimale Ausrichtung der PV-Module oder im Hinblick auf die Erträge in den Wintermonaten zum Tragen kommt. Oftmals verringert sich bei diesen Gegebenheiten die solare Stromerzeugung oder verteilt sich über den gesamten Tag (z.B. bei Ost-/Westausrichtung). Aufgrund der geringen Ladeleistung ist somit sichergestellt, dass ganz ohne zusätzliche Mess- und Regelungstechnik ein großer Teil des Ladestroms von der eigenen Photovoltaikanlage stammt und nicht zusätzlich aus dem Stromnetz bezogen wird.

Damit berechnet sich die Gesamtladeleistung wie folgt:

Bei einer Ladeleistung von 11kW lädt das E-Auto nach der oben beschriebenen Faustformel etwa 1,1 km pro Minute nach. Das sind in einer Stunde ungefähr 66 km. Oft wird die Ladeleistung von 11 kW allerdings aufgrund des Ladegeräts im Elektroauto oder den Umgebungsbedingungen nicht vollständig erreicht. Einige Elektroautos haben beispielsweise lediglich ein zweiphasiges 7,4 kW Ladegerät eingebaut. Damit ergibt sich nach der Faustformel pro Stunde eine „Ladereichweitenleistung" von etwa 44,4 km.

Wie bereits beim Ladeziegel hat die erhöhte Ladeleistung sowohl Vor- als auch Nachteile. Ein Vorteil ist, dass das Elektroauto deutlich schneller geladen wird. Die 11 kW Wallbox erhöht die Reichweite des Elektrofahrzeugs unter Anwendung der Faustformel um etwa 44 km bis 66 km pro Stunde. Der Ladeziegel lag zum Vergleich bei etwa 14 km pro Stunde. Ein Nachteil der hohen Ladeleistung ist, dass in den meisten Fällen zusätzlich Strom aus dem Stromnetz bezogen werden muss, um die Ladeleistung zu decken (insbesondere in den Wintermonaten). Am Beispiel von Andreas Stampa hätte dies zur Folge, dass im Bestfall lediglich 3,3 kW der benötigten 11 kW durch die PV-Anlage abgedeckt wird. Das bedeutet wiederrum, dass die Ladekosten aufgrund des höheren Bezugspreises für Netzstrom von derzeit etwa 40 ct/kWh im Vergleich zum Ladeziegel steigen.

_{Andreas Stampa mit seinem E-Auto beim Ladevorgang. © Andreas Stampa}

Neben der geringen PV-Ladestromabdeckung kann zusätzlich die Situation eintreten, dass der Akku des Elektrofahrzeugs aufgrund der hohen Ladeleistung bereits um 13:00 Uhr vollständig geladen ist. Demzufolge wird dann ab 13:00 Uhr der gesamte PV-Strom für eine Vergütung von 8,2 ct/kWh ins Stromnetz eingespeist. Hier macht man also den wirtschaftlich ungünstigen Tausch, dass zunächst „zu viel" Strom für 40 ct/kWh bezogen wird und anschließend überschüssiger Strom für 8,2 ct/kWh ins Stromnetz eingespeist wird. Bilanziell ändert dies aus Sicht des Stromnetzes (über den Tagesverlauf gesehen) nichts - lediglich in der Geldbörse entsteht ein Ungleichgewicht zu Gunsten des Netzbetreibers. Aus finanzieller Sicht ergibt es also durchaus Sinn, sich darüber Gedanken zu machen, wann die PV-Anlage Strom erzeugt und wie genau die Interaktion im heimischen System abläuft.

Um den eben beschriebenen Effekt zu vermeiden, gibt es entweder in den Einstellungen des Elektroautos selbst oder innerhalb der dazugehörigen App die Möglichkeit, den Ladestrom und somit auch die maximale Ladeleistung zu reduzieren.

Hierzu folgende Überlegung (Achtung! Überschlagsrechnung):

• Gefahrene Fahrstrecke am Tag: 120 km
• Leistung Wallbox: 11kW (3 Phasige Wallbox, mit 3,7 kW pro Phase)
• E-Auto kann aber wegen des im Auto eingebauten Ladegeräts nur 2 der 3 Phasen verwenden, deswegen maximale Ladeleistung 3,7 kW x 2 = 7,4 kW

Aufgrund der PV-Erzeugung soll zwischen 9:30 Uhr und 15:30 Uhr geladen werden. Zusätzlich sollen die gefahrenen 120 km möglichst wieder ins Elektroauto geladen werden. Um das zu erreichen, müssen also 20 km pro Stunde geladen werden.

Nach der Faustformel gilt:

Die Wallbox muss also, um die 120 km in den 6 Stunden wieder in das Elektroauto zu laden, eine Leistung von etwa 3,3 kW bereitstellen. Eine Einstellung auf 3,3 kW ist allerdings nicht möglich, da ein dreiphasiges Ladegerät eines E-Fahrzeugs in der Regel eine Mindestladeleistung von 4,2 kW benötigt, um den Ladevorgang zu starten. Aus diesem Grund wird im Folgenden von einer Ladeleistung von 4,2 kW ausgegangen.

Um diese Ladeleistung einzustellen, gibt es (wie oben erwähnt) die Möglichkeit, den Ladestrom im Elektroauto oder in der dazugehörigen App zu begrenzen. Um diesen zu berechnen, kann wie folgt vorgegangen werden:

Demnach muss der Ladestrom in der jeweiligen App des Elektroautos auf einen Wert von etwa 6 Ampere eingestellt werden, damit eine Aufladung von etwa 120 km in 6 Stunden möglich ist. Die Einstellung des exakten Ladestroms ist jedoch oftmals aufgrund der Skalierung innerhalb der App oder des Elektrofahrzeugs nicht möglich. Aus diesem Grund ist hier die sinnvollste Möglichkeit, den nächsthöheren Amperewert einzustellen. Zusätzlich gibt es zu beachten, dass einige Elektrofahrzeuge nur mit 2-Phasen laden können. Die maximale Ladeleistung beträgt also nicht 11 kW, sondern 7,4 kW.

Eine Begrenzung der Ladeleistung auf 3,3 kW ist aufgrund des Ladegeräts im Elektrofahrzeug nicht möglich. Dennoch führt die Begrenzung dazu, dass der Ladevorgang verlängert wird, sodass der PV-Strom-Anteil zunimmt und deutlich weniger Netzstrom bezogen werden muss.

In der Abbildung unten ist dargestellt, wie der dynamische Ladeprozess im System von Andreas Stampa abläuft. Die grüne Kurve beschreibt die PV-Erzeugung. Der rötliche Graph bildet die Grundlast des Hauses in Kombination mit der Ladeleistung der dynamischen Wallbox ab. Anhand der blauen Kurve lässt sich der Strombezug aus dem Stromnetz bzw. die Überschusseinspeisung ins Stromnetz ablesen. Ein negativer Wert beschreibt in diesem Fall einen Strombezug aus dem Stromnetz. 

Ladevorgang unter Anwendung einer dynamischen Wallbox (Maximal mögliche Ladeleistung: Einphasig: 3,68 kW), PV-Anlagenleistung: 4,3 kWp

Achtung! Hierbei handelt es sich um eine PV-Erzeugungskurve, welche im Oktober aufgezeichnet wurde. Das hat zur Folge, dass die Erzeugungsleistung der PV-Anlage im Vergleich zur Erzeugungsleistung aus der Abbildung "Ladeziegel" (s.o.) deutlich geringer ist. Zu erkennen ist dies daran, dass zu keinem Zeitpunkt eine Erzeugungsleistung über den Wert von 3000 W = 3kW ansteigt.

An dem Beispiel von Andreas Stampa ist zu beachten, dass es sich hier um einen dynamischen einphasigen Ladevorgang handelt (maximale Ladeleistung 3,6 kW). Grund dafür ist die PV-Anlagenleistung. Produziert die PV-Anlage gerade weniger als 4,1 kW sollte einphasig geladen werden, damit der Ladevorgang nicht abgebrochen wird. Fällt der Ladestrom bei dreiphasigem Laden unter 6 A (4,1kW) brechen die meisten Elektrofahrzeuge den Ladevorgang ab. Das hätte wiederrum zur Folge, dass die PV-Anlage Strom erzeugt; das Elektroauto gleichzeitig aber nicht geladen wird.

Ladestufen bei einphasigem Laden im Fall von Andreas Stampa (bei dreiphasigem Laden mit Faktor 3 multiplizieren):
• Ladestufe 1: 6A, entspricht einer Ladeleistung von 1,38 kW
• Ladestufe 2: 7A, entspricht einer Ladeleistung von 1,61 kW
• Ladestufe 3: 8A, entspricht einer Ladeleistung von 1,84 kW
• ... usw. bis
• Ladestufe 11: 16A, entspricht einer Ladeleistung von 3,68 kW

Der Ladevorgang im zeitlichen Verlauf

Von ca. 7:00 Uhr bis 9:30 Uhr wird der Batteriespeicher des Hauses geladen.

Ab etwa 9:30 Uhr überschreitet dann die PV-Erzeugungsleistung die kleinstmögliche Ladestufe der Wallbox. Aufgrund dieser Überschreitung wird ein "Start"-Signal vom Wechselrichter zur Wallbox gesendet. Die Wallbox startet daraufhin den Ladevorgang. Gleichzeitig wird kein Strom mehr in den Batteriespeicher des Hauses geladen. Im Laufe des Vormittags steigt dann die Erzeugungsleistung der PV-Anlage weiter an. Immer dann, wenn die Erzeugungsleistung der PV-Anlage den Grenzwert einer weiteren Ladestufe überschreitet, erhöht die dynamische Wallbox die Ladeleistung.

Ab etwa 11:30 Uhr unterschreitet dann die PV-Erzeugungsleistung den Grenzwert der untersten Ladestufe. Der Ladevorgang des Elektroautos wird daraufhin gestoppt. Gleichzeitig startet aber wieder der Ladevorgang des Batteriespeichers im Haus, sodass es trotz Beenden des Ladevorgangs des Elektroautos nicht zur Einspeisung ins Stromnetz kommt. 

Lediglich ab ca.13:00 Uhr wird aufgrund des vollgeladenen Batteriespeichers ein kleiner Überschussstromanteil ins Stromnetz eingespeist.

Hierfür gibt es keine pauschale Antwort, denn die Frage nach der "richtigen" Größe der Solaranlage, hängt von vielen (teils individuellen) Faktoren ab. Um richtig planen zu können, sollte man sich daher von einem PV-Installateur berechnen lassen, mit welchen Erträgen zu rechnen ist.

Das Solarstromer-Tool der HTW Berlin kann eine erste Idee geben, wie groß der Eigenverbrauchsanteil bei unterschiedlicher Anlagengröße und Fahrleistungen potenziell ist.  

Im Realbeispiel von Andreas Stampa waren vor der Installation des dynamischen Ladesystems bereits ein Batteriespeicher, als auch die PV-Anlage installiert. Der Batteriespeicher ist allerdings bei entsprechender Auslegung des dynamischen Ladesystems in vielen Fällen nicht erforderlich.

Organisationen wie beispielsweise die Verbraucherzentrale beantworten die Frage, ob sich die Anschaffung eines Batteriespeichers lohnt, um den Solarstromanteil beim Laden zu erhöhen wie folgt:

Verbraucherzentrale NRW: "Um den Solarstromanteil in Ihrem E-Auto zu erhöhen, können Sie zusätzlich einen Batteriespeicher anschaffen. Dieser speichert tagsüber den durch die PV-Anlage produzierten Strom und macht ihn auch nachts nutzbar. Die Anschaffungskosten eines PV-Speichers sind noch zu groß im Vergleich zum Anteil an Strom, den Sie dadurch einsparen können."  Zum Artikel

Verbraucherzentrale Bundesverband: "Das Laden eines Elektroautos über den Batteriespeicher ist nicht empfehlenswert, da der Heimspeicher nur für den regelmäßigen Stromverbrauch im Haushalt dimensioniert ist." Zum Artikel

Für eine dynamische Steuerung der Wallbox ist eine störungsfreie Kommunikation zwischen Wallbox und Wechselrichter nötig. Da diese jedoch nicht genormt ist und die Kopplung von unterschiedlichen Herstellern häufig schwierig ist, sollte in Betracht gezogen werden, Wallbox und Wechselrichter vom gleichen Hersteller zu wählen. In dem Fall ist gewährleistet, dass eine Kommunikation ohne großen Aufwand möglich ist.

Es gibt zwar Geräte, die zwischen die Komponenten verschiedener Hersteller geschaltet werden können und dann die Kommunikation übernehmen - hierfür ist aber ein gewissses technisches Know-how nötig.

Der Auto-Akku benötigt zum Aufladen eine ganz konkrete Spannung z.B. 400V. Die Photovoltaikmodule werden aber mit einer variablen Spannung betrieben, um den maximalen Ertrag zu bekommen (MPP Tracking = Maximum Power Point Tracking). Würde man die PV-Module mit einer konstanten Spannung betreiben, um den Akku laden zu können, wären die Verluste durch den nicht optimalen Betriebspunkt sehr viel höher als die Umwandlungsverluste in den Umwandlungsgeräten.

Der Batteriespeicher eines Hauses ist grundsätzlich dafür ausgelegt, die Versorgung des Hauses über Nacht zu gewährleisten und um Leistungslöcher bei Wolkendurchzug zu puffern. Wenn man bei Dunkelheit das Auto mit dem Batteriestrom lädt, ist nicht mehr genug für die Nacht da und es muss in der Nacht Strom gekauft werden. Es sollte also möglichst das Auto bei Sonnenschein geladen werden. PV-Anlagen mit West-Ausrichtung haben hier im Sommerhalbjahr den Vorteil ,dass am Abend noch genug Sonnenenenergie zur Verfügung steht, um das Auto nach Feierabend zu laden.