Solartankstelle an der Technischen Hochschule Bingen

An der Technischen Hochschule Bingen wurde am 2. September 2010 eine Solartankstelle in Betrieb genommen. Die Tankstelle wird mit regenerativem Strom, in diesem Fall über Solar- und Windstrom, versorgt. Verschiedene Forschungsfahrzeuge mit Elektroantrieb der TH Bingen können hier umweltfreundlich aufgeladen werden. Ein kommerzieller Betrieb der Tankstelle wird nicht verfolgt, vielmehr liegt der Schwerpunkt in der Optimierung und Erprobung der Anwendbarkeit.

Präsident Prof. Dr. Klaus Becker freut sich als Initiator über die Bereicherung auf dem Campus. Im Mai 2010 setzte er eine interdisziplinäre Forschergruppe aus Elektrotechnikern, Fahrzeugtechnikern und Mitarbeitern der Transferstelle für rationelle und regenerative Energienutzung ein, um die Solartankstelle zu erstellen.

Die Projektleitung für den Aufbau übernahm Prof. Dr. Christoph Wrede. Mit den Studierenden der Elektrotechnik Marcus Ewigleben und Lars Magnus wurde die Anlage geplant und installiert. Eine bestehende kleine Photovoltaikanlage wurde um weitere Solarmodule mit einem eigenen Wechselrichter ergänzt. In einem Technikcontainer wurden alle Komponenten miteinander verschaltet, Messtechnik installiert und die Ladesäule als Herz der Anlage angeschlossen. Unterstützt wurde der Aufbau durch örtliche und überregionale Industriepartner, die Komponenten günstig oder gar umsonst beisteuerten.

Mit der neu aufgebauten Photovoltaikmodulfläche von 35 m² besitzt die Anlage jetzt eine gesamte Spitzenleistung von 6 kW. Die durchschnittliche Jahreserzeugung wird rund 5.000 kWh betragen. Die Ladesäule verfügt über gängige Anschlusssysteme, so dass praktisch alle elektrisch betankbaren Fahrzeuge vom Fahrrad bis hin zum PKW geladen werden können.

Daten der Solartankstelle

Bestehende Anlage
  • 20 Module (Kyocera) mit insg. 8,8 m² Fläche
  • Installierte Spitzenleistung: 1 kW
  • Wechselrichter SMA Sunnyboy 850
Neue Anlage
  • 22 Module (Hyundai) mit insg. 35,6 m² Fläche
  • Installierte Spitzenleistung: 5 kW
  • Wechselrichter SMA Sunnyboy 5000 TL
Eingespeiste Energie
  • ca. 5.000 kWh/Jahr
Ladesäule
  • Hersteller: Walther-Bosecker (Eisenberg/Pfalz)
  • 2 gleichzeitig zu betreibende Ladeplätze
  • Identifikation durch elektronischen Schlüssel oder PIN-Code
Messsysteme
  • Registrierende Messung von eingespeister elektrischer Energie und Leistung
  • Registrierende Messung und Abrechnung der verbrauchten elektrischer Energie der je Ladeplatz an der Ladesäule
  • Messung der solaren Einstrahlung auf die Anlage
  • Einbau von speziellen registrierenden Messsystemen zur Messung der Strom- und Spannungsqualität (2011)
Kontakt und Informationen
Prof. Dr. Christoph Wrede (Wr)
Fachbereich 2
Gebäude 1, Raum 223
T. +49 6721 409 107
F. +49 6721 409 158
Sprechzeiten nach Vereinbarung

Betrieb der Solartankstelle

Die bis heute gemachten Erfahrungen sind: Zum einen sind die Erträge der 5-kW-Photovoltaikanlage höher als erwartet, zum anderen kann man an den gemessenen Größen erkennen, welches E-Mobil betankt wurde.

Im September 2010 wurde die Solartankstelle in Betrieb genommen. Eine 5-kW-Photovoltaikanlage bestehend aus 22 multikristallinen Modulen vom Typ Hyundai HiS-M227SG und einem SMA-Wechselrichter Sunny Boy SB 5000TL-20. Als Tankstelle wurde ein Walther-Anschluss installiert: Schuko-Steckdose, nach CEE Norm 3-polig, 5-polig oder auch 7-polig.

Neben den notwendigen Installationen sind verschiedene zusätzliche Geräte und Messstellen eingebaut, sodass es den Professoren der  Elektrotechnik möglich ist, die Anlage zu überwachen. Was für die Verantwortlichen der Elektrotechnik aber viel wichtiger ist, es haben, es finden und es werden die verschiedensten Projekte zusammen mit den Studierenden des Bachelor- und des Masterstudienganges Elektrotechnik stattfinden.

Studie zu Netzrückwirkungen

Vom 11. Juni bis zum 11. Juli 2012 wurde eine wissenschaftliche Untersuchung zum Thema Bedeutung der Stromabnahme durch Elektrofahrzeuge für das öffentliche Stromnetz durchgeführt.

Für die Studie wurden 300 Datensätze von elf Fahrzeugtypen, die fast ausschließlich über Schuko-Stecker geladen werden, ausgewertet.

Das Ergebnis: Obwohl beim Laden von Elektrofahrzeugen am öffentlichen Netz festgelegte Grenzwerte gelten, stören einige der bisher am Markt erhältlichen Fahrzeuge die elektrische Energieversorgung. Ein Knackpunkt dabei ist die Umwandlung von Wechselstrom aus dem Versorgungsnetz in Gleichstrom für die Batterie. Der Strom verliert seine Sinusform und wird verzerrt. Das kann sowohl im öffentlichen wie auch im privaten Netz zu Störungen anderer Verbraucher führen, oder als Folge einer Überlastung zur Unterbrechung der beim Ladevorgang genutzten elektrischen Verbindung.

Im privaten Bereich können während eines Ladevorgangs z.B. Herd oder Heizung ausfallen. Im öffentlichen Netzbereich ist bei einer Kabelüberlastung sogar die Stromversorgung eines ganzen Stadtteils gefährdet.

Vorschriften zur elektromagnetischen Verträglichkeit sollten daher sinngemäß auch für Ladeinfrastruktur und Elektromobile angewendet werden.

Messungen im Antriebstechniklabor an Elektroauto
E-Mobil des Studiengangs Elektrotechnik

Forschungsergebnisse aus 2011

Nachdem die Kinderkrankheiten beseitigt wurden, kann auf ein ganzes Jahr 2011 zurückgeschaut werden, in dem fast 6000 kWh elektrische Energie durch die Photovoltaikanlage für die Tanksäule zur Verfügung standen. Es wurden die verschiedensten E-Mobile betankt, sodass schon Erfahrungen gesammelt werden konnten.

Im Jahr 2011 lag der Ertrag der 5-kw-Photovoltaikanlage mit 5907 kWh weit über dem Durchschnitt, der standardmäßig angenommen wird. Es waren im Jahr 2011 1183 kWh/kW.

Wir alle sind es gewöhnt, dass wir immer dann, wenn wir es wollen, elektrische Energie beziehen können; wir schalten einfach ein und der Strom fließt. Solarenergie ist allerdings mit dem Mangel behaftet, dass die Anlagen nur dann elektrische Energie liefern, wenn die Sonne scheint. Die Sonnenstrahlung steht naturgemäß nur tagsüber zur Verfügung, und das nur, wenn der Himmel nicht bedeckt ist.

Aus den Beiden sehr unterschiedlich verlaufenden Einstrahlungskurven folgen sehr unterschiedliche Leistungskurven im nächsten Bild 2.
Im Smart Grid, also im Energieversorgungsnetz mit vielen Messstationen, versucht man so viele Informationen zu sammmeln, so dass genau dann, wenn die elektrische Energie zur Verfügung steht, diese benötigt wird.

An der Solartankstelle waren sehr unterschiedliche E-Mobile zur Betankung angeschlossen; es wurden jeweils weniger als 15 kWh getankt.
Die Elektrotechnik interessiert sich unter anderem für die Rückwirkungen; d.h. was geschieht im Energieversorgungsnetz, wenn ein E-Mobil an der Ladesäule angeschlossen ist? Im Bild 3 unten sind Effektivwerte der Ströme beim Beginn eines Tankvorgangs zu sehen. Der schwarze Verlauf entsteht durch ein E-Mobil mit "guter" Ladeelektronik, der Strom steigt langsam an bis der Maximalwert erreicht wird. Der rote Verlauf zeigt, dass es durch "schlechte" Elektronik dazu kommen kann, dass beim Einschalten ein bis zu 50-facher Strom fließen kann. Dieser sehr große Strom kann dazu führen, dass eine Ladung gar nicht möglich ist oder dass andere Verbraucher im Netz gestört werden.

Neben der Größe des Ladestroms ist auch die Form des Stroms von Bedeutung. Der schwarze Verlauf im Bild 4 ist sinusförmig, der rote Verlauf extrem verzerrt. Diese Verzerrung wird durch Oberschwingungsströme beschrieben. Die Größe der Verzerrung ist durch Normen begrenzt; wenn eine Norm nicht eingehalten wird, darf das E-Mobil nicht am öffentlichen Netz geladen werden.

Weitere Informationen

Grafik Solartankstelle solare Einstrahlung
Im Bild 1 ist sowohl ein sonniger (gelbe Fläche) als auch ein zum Teil bewölkter Tag (schwarzer Verlauf) dargestellt.
Grafik Solartankstelle Stromverlauf
Bild 3 Effektivwerte der Stöme (jeweils bezogen auf den Maximalwert) beim eines Tankvorgangs rot: extrem schlechter Einschaltvorgang; schwarz: optimaler Einschaltvorgang
Grafik Solartankstelle Wirkleistung
Bild 2 Leistungskurven zweier Tage: links mit wechselnder Bewölkung und rechts ein Sonnentag.
Grafik Solartankstelle Stromverlauf
Bild 4 Oberschwingungsbehafteter Ladestrom
Kontakt und Informationen
Prof. Dr.-Ing. Peter Plumhoff (Pl)
Fachbereich 2
Gebäude 3, Raum 103
T. +49 6721 409 426
F. +49 6721 409 158
Sprechzeiten nach Vereinbarung
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