EV-Ladegeräte-Technologien

Die Ladetechnologien für Elektrofahrzeuge in China und den USA ähneln sich weitgehend. In beiden Ländern sind Kabel und Stecker die vorherrschende Technologie zum Laden von Elektrofahrzeugen. Kabelloses Laden und Batteriewechsel spielen kaum eine Rolle. Unterschiede gibt es zwischen den beiden Ländern hinsichtlich Ladestufen, Ladestandards und Kommunikationsprotokollen. Diese Gemeinsamkeiten und Unterschiede werden im Folgenden erläutert.

A. Ladestufen

In den USA werden Elektrofahrzeuge häufig mit 120 Volt an unveränderten Haushaltssteckdosen aufgeladen. Dies wird allgemein als Level-1- oder Erhaltungsladung bezeichnet. Beim Level-1-Laden benötigt eine typische 30-kWh-Batterie etwa 12 Stunden, um von 20 % auf fast volle Ladung zu kommen. (In China gibt es keine 120-Volt-Steckdosen.)

Sowohl in China als auch in den USA erfolgt das Laden von Elektrofahrzeugen häufig mit 220 Volt (China) bzw. 240 Volt (USA). In den USA wird dies als Level-2-Laden bezeichnet.

Ein solches Laden kann über unveränderte Steckdosen oder spezielle Ladegeräte für Elektrofahrzeuge erfolgen und verbraucht typischerweise etwa 6–7 kW Leistung. Beim Laden mit 220–240 Volt benötigt eine typische 30-kWh-Batterie etwa 6 Stunden, um von 20 % auf fast volle Ladung zu gelangen.

Schließlich gibt es sowohl in China als auch in den USA wachsende Netze von Gleichstrom-Schnellladegeräten mit üblicherweise 24 kW, 50 kW, 100 kW oder 120 kW Leistung. Einige Stationen bieten 350 kW oder sogar 400 kW Leistung. Diese Gleichstrom-Schnellladegeräte können eine Fahrzeugbatterie in einer Zeit von etwa einer Stunde bis hin zu nur 10 Minuten von 20 % auf fast volle Ladung bringen.

Tabelle 6:Die häufigsten Gebührensätze in den USA

Quelle: US-Energieministerium

B. Gebührenstandards

ich. China

In China gibt es einen landesweiten Standard für das Schnellladen von Elektrofahrzeugen. In den USA gibt es drei Standards für das Schnellladen von Elektrofahrzeugen.

Der chinesische Standard ist als China GB/T bekannt. (Die InitialenGBsteht für nationale Norm.)

Der chinesische GB/T-Standard wurde 2015 nach mehrjähriger Entwicklungszeit veröffentlicht.124 Er ist nun für alle neuen Elektrofahrzeuge in China verpflichtend. Internationale Automobilhersteller wie Tesla, Nissan und BMW haben den GB/T-Standard für ihre in China verkauften Elektrofahrzeuge übernommen. GB/T ermöglicht derzeit Schnellladen mit einer maximalen Leistung von 237,5 kW (bei 950 V und 250 Ampere), obwohl viele

Chinesische Gleichstrom-Schnellladegeräte bieten Ladeleistungen von 50 kW. 2019 oder 2020 soll ein neuer GB/T-Standard eingeführt werden, der Berichten zufolge den Standard auf bis zu 900 kW für größere Nutzfahrzeuge erweitern soll. GB/T ist ein ausschließlich in China gültiger Standard; die wenigen in China produzierten und ins Ausland exportierten Elektrofahrzeuge verwenden andere Standards.125

Im August 2018 kündigte der China Electricity Council (CEC) eine Absichtserklärung mit dem in Japan ansässigen CHAdeMO-Netzwerk zur gemeinsamen Entwicklung ultraschneller Ladesysteme an. Ziel ist die Kompatibilität zwischen GB/T und CHAdeMO für schnelles Laden. Die beiden Organisationen werden zusammenarbeiten, um den Standard auf Länder außerhalb Chinas und Japans auszuweiten.126

ii. Vereinigte Staaten

In den Vereinigten Staaten gibt es drei Ladestandards für Elektrofahrzeuge zum DC-Schnellladen: CHAdeMO, CCS SAE Combo und Tesla.

CHAdeMO war der erste Schnellladestandard für Elektrofahrzeuge aus dem Jahr 2011. Er wurde von Tokio entwickelt

Electric Power Company und steht für „Charge to Move“ (ein Wortspiel auf Japanisch).127 CHAdeMO wird derzeit in den USA im Nissan Leaf und Mitsubishi Outlander PHEV eingesetzt, die zu den meistverkauften Elektrofahrzeugen gehören. Der Erfolg des Leaf in den USA könnteLADEN VON ELEKTROFAHRZEUGEN IN CHINA UND DEN USA

ENERGYPOLICY.COLUMBIA.EDU | FEBRUAR 2019 |

Dies ist teilweise auf Nissans frühzeitiges Engagement zurückzuführen, die CHAdeMO-Schnellladeinfrastruktur bei Händlern und an anderen städtischen Standorten einzuführen.128 Im Januar 2019 gab es in den Vereinigten Staaten über 2.900 CHAdeMO-Schnellladegeräte (sowie mehr als 7.400 in Japan und 7.900 in Europa).129

Im Jahr 2016 kündigte CHAdeMO an, seinen Standard von der anfänglichen Laderate von 70 auf

kW, um 150 kW anzubieten.130 Im Juni 2018 kündigte CHAdeMO die Einführung einer 400-kW-Ladeleistung mit flüssigkeitsgekühlten Kabeln mit 1.000 V und 400 Ampere an. Die höhere Ladeleistung wird verfügbar sein, um den Bedarf großer Nutzfahrzeuge wie Lkw und Busse zu decken.131

Ein zweiter Ladestandard in den USA ist als CCS oder SAE Combo bekannt. Er wurde 2011 von einer Gruppe europäischer und US-amerikanischer Automobilhersteller eingeführt. Das WortCombogibt an, dass der Stecker sowohl AC-Laden (mit bis zu 43 kW) als auch DC-Laden unterstützt.132 In

In Deutschland wurde die Initiative Charging Interface (CharIN) gegründet, um sich für die breite Einführung von CCS einzusetzen. Im Gegensatz zu CHAdeMO ermöglicht ein CCS-Stecker Gleichstrom- und Wechselstromladen über einen einzigen Anschluss, wodurch Platz und Öffnungen an der Karosserie reduziert werden. Jaguar,

Volkswagen, General Motors, BMW, Daimler, Ford, FCA und Hyundai unterstützen CCS. Auch Tesla ist der Koalition beigetreten und kündigte im November 2018 an, seine Fahrzeuge in Europa mit CCS-Ladeanschlüssen auszustatten.133 Der Chevrolet Bolt und der BMW i3 gehören in den USA zu den beliebtesten Elektrofahrzeugen mit CCS-Ladefunktion. Während die aktuellen CCS-Schnellladegeräte eine Ladeleistung von etwa 50 kW bieten, umfasst das Programm „Electrify America“ eine Schnellladung mit 350 kW, die eine nahezu vollständige Ladung in nur 10 Minuten ermöglichen könnte.

Der dritte Ladestandard in den Vereinigten Staaten wird von Tesla betrieben, das im September 2012 sein eigenes Supercharger-Netzwerk in den Vereinigten Staaten in Betrieb nahm.134 Tesla

Supercharger arbeiten typischerweise mit 480 Volt und bieten eine Ladeleistung von maximal 120 kW.

Im Januar 2019 waren auf der Tesla-Website 595 Supercharger-Standorte in den USA aufgeführt, weitere 420 Standorte „folgen demnächst“.135 Im Mai 2018 deutete Tesla an, dass seine Supercharger in Zukunft Leistungsstufen von bis zu 350 kW erreichen könnten.136

Im Rahmen unserer Recherchen für diesen Bericht fragten wir US-Interviewteilnehmer, ob sie das Fehlen eines einheitlichen nationalen Standards für Gleichstrom-Schnellladen als Hindernis für die Einführung von Elektrofahrzeugen ansehen. Nur wenige bejahten dies. Die Gründe dafür, dass mehrere Standards für Gleichstrom-Schnellladen nicht als Problem angesehen werden, sind unter anderem:

● Die meisten Elektrofahrzeuge werden zu Hause und am Arbeitsplatz mit Ladegeräten der Stufen 1 und 2 aufgeladen.

● Ein Großteil der Ladeinfrastruktur im öffentlichen Raum und am Arbeitsplatz nutzte bisher Ladegeräte der Stufe 2.

● Es sind Adapter erhältlich, mit denen Besitzer von Elektrofahrzeugen die meisten Gleichstrom-Schnellladegeräte verwenden können, selbst wenn das Elektrofahrzeug und das Ladegerät unterschiedliche Ladestandards verwenden. (Die wichtigste Ausnahme ist das Tesla-Supercharging-Netzwerk, das nur für Tesla-Fahrzeuge zugänglich ist.) Es gibt insbesondere einige Bedenken hinsichtlich der Sicherheit von Schnellladeadaptern.

● Da Stecker und Kupplung nur einen kleinen Teil der Kosten einer Schnellladestation ausmachen, stellt dies für die Stationsbetreiber weder eine technische noch eine finanzielle Herausforderung dar und ist vergleichbar mit den Schläuchen für Benzin mit unterschiedlicher Oktanzahl an einer Tankstelle. Viele öffentliche Ladestationen verfügen über mehrere Stecker an einer einzigen Ladesäule, sodass dort alle Arten von Elektrofahrzeugen aufgeladen werden können. Viele Länder verlangen oder fördern dies sogar.LADEN VON ELEKTROFAHRZEUGEN IN CHINA UND DEN USA

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Einige Autohersteller haben erklärt, dass ein exklusives Ladenetz eine Wettbewerbsstrategie darstelle. Claas Bracklo, Leiter für Elektromobilität bei BMW und Vorsitzender von CharIN, erklärte 2018: „Wir haben CharIN gegründet, um eine Machtposition aufzubauen.“137 Viele Tesla-Besitzer und -Investoren betrachten das firmeneigene Supercharger-Netzwerk als Verkaufsargument, obwohl Tesla weiterhin seine Bereitschaft signalisiert, anderen Automodellen die Nutzung seines Netzwerks zu gestatten, sofern sie einen proportional zur Nutzung stehenden finanziellen Beitrag leisten.138 Tesla ist auch Teil von CharIN und fördert CCS. Im November 2018 kündigte das Unternehmen an, dass in Europa verkaufte Modelle des Modell 3 mit CCS-Anschlüssen ausgestattet sein würden. Tesla-Besitzer können für den Zugang zu CHAdeMO-Schnellladegeräten auch Adapter erwerben.139

C. Ladekommunikationsprotokolle Ladekommunikationsprotokolle sind notwendig, um das Laden für die Bedürfnisse des Benutzers (zur Erkennung des Ladezustands, der Batteriespannung und der Sicherheit) und für das Netz (einschließlich

Kapazität des Verteilnetzes, zeitabhängige Preisgestaltung und Maßnahmen zur Nachfragesteuerung).140 China GB/T und CHAdeMO verwenden ein Kommunikationsprotokoll namens CAN, während CCS mit dem PLC-Protokoll arbeitet. Offene Kommunikationsprotokolle wie das von der Open Charging Alliance entwickelte Open Charge Point Protocol (OCPP) erfreuen sich in den USA und Europa zunehmender Beliebtheit.

Im Rahmen unserer Recherchen für diesen Bericht nannten mehrere US-Interviewpartner die Umstellung auf offene Kommunikationsprotokolle und Software als politische Priorität. Insbesondere wurde bei einigen öffentlichen Ladeprojekten, die im Rahmen des American Recovery and Reinvestment Act (ARRA) gefördert wurden, darauf hingewiesen, dass sie Anbieter mit proprietären Plattformen ausgewählt hatten, die anschließend in finanzielle Schwierigkeiten gerieten und defekte Geräte zurückließen, die ersetzt werden mussten.141 Die meisten Städte, Versorgungsunternehmen und Ladenetzbetreiber, die für diese Studie kontaktiert wurden, sprachen sich für offene Kommunikationsprotokolle und Anreize aus, die den Betreibern von Ladenetzen einen reibungslosen Anbieterwechsel ermöglichen.142

D. Kosten

Heimladegeräte sind in China billiger als in den USA. In China wird ein typisches wandmontiertes 7-kW-Heimladegerät online für 1.200 bis 1.800 RMB verkauft.143 Für die Installation fallen zusätzliche Kosten an. (Bei den meisten privaten Elektrofahrzeugkäufen sind Ladegerät und Installation inbegriffen.) In den USA kosten Heimladegeräte der Stufe 2 zwischen 450 und 600 US-Dollar, zuzüglich durchschnittlich etwa 500 US-Dollar für die Installation.144 Gleichstrom-Schnellladegeräte sind in beiden Ländern wesentlich teurer. Die Kosten variieren stark. Ein für diesen Bericht befragter chinesischer Experte schätzte, dass die Installation einer 50-kW-Gleichstrom-Schnellladestation in China normalerweise zwischen 45.000 und 60.000 RMB kostet, wobei die Ladestation selbst etwa 25.000 – 35.000 RMB und die Verkabelung, die unterirdische Infrastruktur und die Arbeitskosten den Rest ausmachen.145 In den USA können Gleichstrom-Schnellladegeräte pro Station Zehntausende von Dollar kosten. Zu den wichtigsten Faktoren, die die Kosten für die Installation von Gleichstrom-Schnellladestationen beeinflussen, zählen der Bedarf an Grabenarbeiten, die Modernisierung von Transformatoren, neue oder modernisierte Schaltkreise und Schalttafeln sowie ästhetische Verbesserungen. Beschilderung, Genehmigungen und der Zugang für Behinderte sind weitere Faktoren.146

E. Kabelloses Laden

Das kabellose Laden bietet mehrere Vorteile, darunter Ästhetik, Zeitersparnis und Benutzerfreundlichkeit.

Es war in den 1990er Jahren für den EV1 (ein frühes Elektroauto) verfügbar, ist heute jedoch selten.147 Die Kosten für online angebotene kabellose Ladesysteme für Elektrofahrzeuge reichen von 1.260 bis rund 3.000 US-Dollar.148 Das kabellose Laden von Elektrofahrzeugen geht mit Effizienzeinbußen einher; aktuelle Systeme bieten eine Ladeeffizienz von etwa 85 %.149 Aktuelle kabellose Ladeprodukte bieten eine Leistungsübertragung von 3–22 kW; kabellose Ladegeräte, die für mehrere Elektrofahrzeugmodelle ab Plugless erhältlich sind, laden mit 3,6 kW oder 7,2 kW, was Level-2-Laden entspricht.150 Während viele Nutzer von Elektrofahrzeugen das kabellose Laden für die zusätzlichen Kosten nicht wert halten,151 prognostizieren einige Analysten eine baldige Verbreitung der Technologie, und mehrere Autohersteller haben angekündigt, kabelloses Laden als Option für zukünftige Elektrofahrzeuge anzubieten. Kabelloses Laden könnte für bestimmte Fahrzeuge mit festgelegten Routen, wie z. B. öffentliche Busse, attraktiv sein und wurde auch für zukünftige Fahrspuren auf Autobahnen vorgeschlagen, obwohl hohe Kosten, geringe Ladeeffizienz und langsame Ladegeschwindigkeiten Nachteile darstellen.152

F. Batteriewechsel

Mithilfe der Batteriewechseltechnologie könnten Elektrofahrzeuge ihre leeren Batterien gegen vollgeladene austauschen. Dies würde die Ladezeit eines Elektrofahrzeugs drastisch verkürzen und den Fahrern erhebliche Vorteile bringen.

Mehrere chinesische Städte und Unternehmen experimentieren derzeit mit dem Batteriewechsel, wobei der Schwerpunkt auf Elektrofahrzeugen mit hoher Auslastung, wie beispielsweise Taxis, liegt. Die Stadt Hangzhou hat den Batteriewechsel für ihre Taxiflotte eingeführt, die lokal hergestellte Elektrofahrzeuge von Zotye verwendet.155 Peking hat mit Unterstützung des lokalen Automobilherstellers BAIC mehrere Batteriewechselstationen errichtet. Ende 2017 kündigte BAIC an, bis 2021 landesweit 3.000 Wechselstationen zu errichten.156 Das chinesische Elektrofahrzeug-Startup NIO plant, die Batteriewechseltechnologie für einige seiner Fahrzeuge einzusetzen, und kündigte den Bau von 1.100 Wechselstationen in China an.157 Mehrere Städte in China – darunter Hangzhou und Qingdao – nutzen den Batteriewechsel auch für Busse.158

In den USA verstummte die Diskussion über den Batteriewechsel nach der Insolvenz des israelischen Batteriewechsel-Startups Project Better Place im Jahr 2013, das ein Netzwerk von Wechselstationen für Pkw geplant hatte.153 Im Jahr 2015 gab Tesla seine Pläne für Wechselstationen auf, nachdem lediglich eine Demonstrationsanlage errichtet worden war, und begründete dies mit mangelndem Verbraucherinteresse. In den USA finden derzeit kaum oder gar keine Experimente zum Thema Batteriewechsel statt.154 Der Rückgang der Batteriekosten und – vielleicht in geringerem Maße – der Ausbau der Infrastruktur für Gleichstrom-Schnellladen haben die Attraktivität des Batteriewechsels in den USA wahrscheinlich verringert.

Der Batteriewechsel bietet zwar einige Vorteile, hat aber auch erhebliche Nachteile. Eine EV-Batterie ist schwer und befindet sich typischerweise im Boden des Fahrzeugs. Sie ist ein integraler Strukturbestandteil mit minimalen technischen Toleranzen für Ausrichtung und elektrische Anschlüsse. Heutige Batterien benötigen in der Regel eine Kühlung, und das An- und Abkoppeln von Kühlsystemen ist schwierig.159 Aufgrund ihrer Größe und ihres Gewichts müssen Batteriesysteme perfekt passen, um Klappern zu vermeiden, Verschleiß zu reduzieren und das Fahrzeug zentriert zu halten. Die in heutigen Elektrofahrzeugen übliche Skateboard-Batteriearchitektur verbessert die Sicherheit, indem sie den Fahrzeugschwerpunkt absenkt und den Aufprallschutz vorne und hinten verbessert. Herausnehmbare Batterien im Kofferraum oder anderswo hätten diesen Vorteil nicht. Da die meisten Fahrzeugbesitzer hauptsächlich zu Hause oderLADEN VON ELEKTROFAHRZEUGEN IN CHINA UND DEN USAIm Betrieb würde ein Batteriewechsel die Probleme der Ladeinfrastruktur nicht unbedingt lösen – er würde lediglich dazu beitragen, das öffentliche Laden und die Reichweite zu verbessern. Und da die meisten Autohersteller nicht bereit sind, Batteriepakete oder -designs zu standardisieren – Autos werden um ihre Batterien und Motoren herum konstruiert, was diese zu einem zentralen Markenwert macht160 –, könnte ein Batteriewechsel ein eigenes Netz von Wechselstationen für jeden Autohersteller oder separate Wechselausrüstung für unterschiedliche Fahrzeugmodelle und -größen erfordern. Obwohl mobile Batteriewechsel-LKWs vorgeschlagen wurden161, muss dieses Geschäftsmodell noch umgesetzt werden.