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Forschungsprojekt am Fraunhofer ISE: Mittelspannungs-Tankstelle bringt Ladeinfrastruktur in die MW-Klasse

© Fraunhofer ISE© Fraunhofer ISE

Freiburg – Angesichts des wachsenden Leistungsbedarfs durch den Ausbau der Elektromobilität können Ladestationen an Autobahnen, in Parkhäusern oder Logistikzentren künftig nicht mehr einfach an das Niederspannungsnetz angeschlossen werden. Eine am Fraunhofer ISE entwickelte Mittelspannungs-Technologie für zukünftige Schnellladestationen soll Spitzenlasten im MW-Bereich ermöglichen.

Im Projekt „MS-Tankstelle“ hat das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Industriepartnern eine Mittelspannungs-Systemtechnik entwickelt, die Spitzenlasten von mehreren MW ermöglichen kann. Der Einsatz von Siliziumkarbid-Halbleitern und die Erhöhung des Spannungspotentials verringern den Materialaufwand und senken die Kosten für die Hochleistungs-Ladestationen. Das System ist zudem hoch effizient und lässt sich flexibel für unterschiedliche Ladeinfrastrukturen und Fahrzeugtypen anpassen. Ein Demonstrator wird während der E-World 2025 (11. bis 13. Februar, Essen) auf dem Stand der Fraunhofer-Allianz Energie präsentiert.

Fraunhofer ISE-Entwicklung: Höhere Effizienz, geringerer Ressourcenverbrauch und hohe Flexibilität
Mit der Anzahl an E-Fahrzeugen in Deutschland steigt der Bedarf an Schnellladestationen, die ähnlich wie heutige Tankstellen eine große Anzahl an Fahrzeugen gleichzeitig bedienen können. Diese werden besonders an den Autobahnen, aber auch in städtischen Parkhäusern und -plätzen erforderlich. Die durchschnittliche Leistung eines Schnellladesystems für einen PKW liegt bei 150 kW, bei Bussen, Vans und kleinen LKW steigt sie bis auf derzeit 350 kW.

Da das elektrische Laden langsamer verläuft als der Tankvorgang, sind an Tankstellen in Zukunft statt acht Zapfsäulen etwa 15 bis 25 Ladepunkte nötig, um die gleiche Fahrzeuganzahl in gleicher Zeit zu bedienen. Beim parallelen Schnellladen ruft eine Elektrotankstelle dann etwa 1,5 bis 3,5 MW Leistung ab. Damit können zukünftige Schnellladestationen nicht länger über das Niederspannungsnetz versorgt werden, selbst bei geringer Auslastung der Tankstelle würde die nötige Leistung 300 kW übersteigen. Auch die Verteilung innerhalb der Tankstelle oder des Parkhauses sollte aus Sicht von Fraunhofer ISE nicht im Niederspannungsnetz erfolgen, da die langen Kabelwege (bei 25 Ladepunkten 100 Meter und mehr) und die hohen Leistungen zu hohen Installationskosten bzw. hohen Verlusten in den Kabeln führen.

Das im Rahmen des Projekts gemeinsam mit den Partnern Sumida Components & Modules GmbH, Infineon Technologies AG und AEG Powersolutions GmbH entwickelte System setzt daher auf ein Mittelspannungsnetz, das mit einem 1500 VDC-Gleichrichter betrieben wird. Diese höhere Spannungsebene ermöglicht eine höhere Leistung bei gleicher Stromstärke, ohne dass größere Kabelquerschnitte notwendig sind, was zu einer Reduktion des Kupferverbrauchs und damit zu einem Beitrag zum Ressourcenschutz führt. Der Wert von 1500 VDC wurde gewählt, da er die Obergrenze des Niederspannungsbereichs markiert; in Folgeprojekten ist eine weitere Steigerung der Spannung geplant.

Modularer Ansatz für skalierbare Ladestationen
Im Gegensatz zu Heim-Wallboxen müssen Schnellladestationen für eine Vielzahl von Fahrzeugtypen kompatibel sein. Das entwickelte Konzept mit einem zentralen Gleichrichter und einer 1500 V-DC-Verteilung bietet den Vorteil, dass die Netzanschlusskomponenten (Transformatoren und Gleichrichter) unabhängig von der Ladeelektronik skaliert werden können. Dadurch wird der Materialbedarf im Vergleich zu heutigen Lösungen deutlich reduziert.

Die Station wird mit den in Europa gängigen Standards CCS1 und CCS2 (Combined Charging System) vollständig kompatibel sein, mit einer Unterstützung für Stromstärken bis 500 A und Spannungen bis 1000 V. Zusätzlich ist es geplant, den Megawatt Charging System (MCS)-Standard zu integrieren, wobei hierfür lediglich einige Komponenten angepasst werden müssen.

„Die von uns im Projekt entwickelte Topologie kann nicht nur für Ladestationen, sondern potenziell auch in erneuerbaren Hybridkraftwerken oder für die Integration von stationären Batteriespeichern eingesetzt werden“, erklärt Andreas Hensel, Gruppenleiter Hochleistungselektronik und Systemtechnik am Fraunhofer ISE.


© IWR, 2025


24.01.2025

 



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