Systemladen 2025

Das Projekt Systemladen 2025 zielt darauf ab, die in den vergangenen Jahren einzeln und für sich entwickelten Ladelösungen für die Elektromobilität und dezentralen Energiesystemlösungen in einem ganzheitlich gedachtem Ökosystem zu vereinen.

Motivation

Ladelösungen für die Elektromobilität und entsprechende Ladestationen sind derzeit für unterschiedlichste Einsatzbereiche und Use-Cases in einer Vielzahl an Varianten und Leistungsklassen am Markt verfügbar. Für einen massentauglichen, wettbewerbsfähigen und gleichzeitig nachhaltig umweltverträglichen Großserieneinsatz bestehen jedoch noch vielfältige und anspruchsvolle Herausforderungen, die es zu lösen gilt.

Alle notwendigen Systembausteine und Lösungen sind bereits in den vergangenen Jahren und Jahrzehnten – einzeln und für sich – im praktischen Einsatz und technisch erfolgreich erprobt worden. Viele Teil-Aspekte sind bereits in großem Maßstab umgesetzt. Dennoch ist die Zielvision – kostengünstiges Laden von Elektrofahrzeugen mit 100 % erneuerbaren Energien – allein damit noch nicht zu erreichen.

Das Fehlen langfristig stabiler Systemarchitekturen und Rahmenbedingungen, eine generelle universelle Interoperabilität der Systemkomponenten und eine drastische Reduktion der Komponenten- und Betriebskosten hemmen die Umsetzung. Um die enorme Komplexität im Verbundsystem zu beherrschen und eine belastbare Funktion und Wirtschaftlichkeit zu gewährleisten, müssen die Systemlösungen und das Gesamtsystem ganzheitlich betrachtet und optimiert werden. Alle Systembausteine – egal ob Hardware, Software oder Prozesse & Dienste – müssen darauf abgestimmt werden, und zwar so schnell und so kurzfristig wie möglich.

Aufbauend auf vorangegangenen Forschungsarbeiten, in denen die notwendigen Grundlagen und erste erfolgreiche Lösungen geschaffen wurden, soll daher nun eine neue Generation von Ladelösungen vorbereitet und in praxistauglichen Pilotanwendungen erprobt werden.

Zielsetzung – Gesamtvorhaben

Leitziel des Verbundvorhabens und der dabei angestrebten neuen Lösungen ist der weitgehend lokale Ausgleich der PV-Volatilität durch intelligente variable Ladelösungen – ohne Komfortverlust und Verfügbarkeitseinschränkungen für den Fahrzeugnutzer, bei gleichzeitiger Kostenersparnis im Vergleich zu konventionellem Laden aus dem Verbundnetz.

Die alleinstehenden Komponenten der verschiedenen Projektpartner (PV-Speichersysteme, Ladestationen, Aggregationstools, Konnektivitätstechnologien) sind für ihre aktuelle Anwendung ausgereift und etabliert, erfüllen aber bislang noch nicht die neuen Anforderungen und Herausforderungen aus Systemsicht. Außerdem müssen die Kosten weiter deutlich gesenkt werden.

Vor diesem Hintergrund ist das gemeinsame Arbeitsziel die Weiterentwicklung, Ergänzung und Zusammenführung bestehender Lösungsbausteine und Komponenten zu einer modularen Gesamtsystemlösung für die optimale Verknüpfung von Ladeinfrastruktur und intelligenten EE-Energiesystemen.

Mit dem geplanten Vorhaben soll ein relevanter Beitrag zur Kostenreduktion und nachhaltigen Systemintegration und somit der Lösung oben genannter Herausforderungen geleistet werden.

Kernidee ist die Integration von Ladelösungsansätzen einerseits und dezentralen Energiesystemlösungen andererseits durch ein ganzheitlich gedachtes Ökosystem.

Die neue Gesamtlösung soll zukunftsfähig, interoperabel und offen für Bausteine von Drittanbietern sein und die gesamte Anwendungsbreite von privaten PV-Home-Systemen über Mehrfamilienhäuser und Gewerbe bis hin zu großen Ladeparks und Fahrzeugflotten abdecken. Darüber hinaus wird eine Integration über digitale Backend-Lösungen in den Netzbetrieb und den Markt angestrebt. Durch massenmarkttaugliche internationale Skalierbarkeit und ganzheitliche Optimierung der Gesamtkonzepte sowie der Geräte- & Softwarebausteine sollen die Ladekosten gesenkt, der Anwendernutzen erhöht und die Transformation des Energie- und Verkehrssystems erleichtert werden.

Darüber hinaus sollen Erkenntnisse über geeignete Qualifizierungsverfahren und für die zukünftige Gestaltung technischer und regulatorischer Rahmenbedingungen gewonnen werden.

Projektstruktur

Das Forschungsprojekt gliedert sich in 9 interdisziplinäre Arbeitspakete.

Zu Beginn des Vorhabens wird durch eine systematische Analyse von Anforderungen, Rahmenbedingungen und Use-Cases ein Grundgerüst für die nachfolgende Komponentenentwicklung modularer Gesamtsystemlösungen und Forschungsarbeiten geschaffen. Dabei wird insbesondere die Kombination von Lade- und Energiesysteminfrastruktur unter Berücksichtigung internationaler Aspekte und Trends betrachtet. Während der Projektlaufzeit werden die Trendanalysen mehrfach rückgekoppelt aufgegriffen, um aktuelle Entwicklungen in den Prozess einzubinden.

• Darauf aufbauend erfolgt die Erarbeitung kongruenter und zukunftssicherer Systemarchitekturen zur interoperablen Integration von Ladelösungen in das lokale Energiesystem sowie in die Energie- und Netzsystemdienstleistungsmärkte.
• Um eine kontinuierliche Energieversorgung auch in Krisen- und Störfällen zu gewährleisten, werden die Vorteile dezentraler erneuerbarer Energieerzeugung in Resilienzkonzepten berücksichtigt.
• Die Grundlagenuntersuchungen werden bis kurz vor Projektende simultan weitergeführt.
• Die Technologie- und Lösungsentwicklung umfasst Softwaremodule zur optimierten Integration der Elektromobilität in lokale Energiemanagementlösungen sowie die Integration der Ladeinfrastruktur in VPP-Backend-Lösungen zur Sektorenkopplung.
• Auch ganzheitliche Systemplanungsverfahren komplexer Anlagenstrukturen wie Mehrfamilienhäuser oder Gewerbeparks mit Mehrplatz-Laden, PV-Anlagen und Batteriespeicher werden berücksichtigt.
• Als Grundlage für zukünftige Standards werden Komponenten- und Systemqualifizierungsverfahren zur Qualifizierung und Gütebewertung der Systemlösungen erstellt.
• Zur Gewährleistung einer durchgehend zuverlässigen schnellen Datenübermittlung, Vermeidung von Anschlussüberlastungen und zur Simplifizierung von Installation und Inbetriebnahme wird die Konnektivität auch bei ungünstigen Gegebenheiten verbessert.
• Die Optimierung der DC- und AC-Ladestationen zur vereinfachten Systemintegrierbarkeit schließt die Entwicklungsarbeit des Projekts ab.
• Wissenschaftlich begleitet und ergänzt wird das Projekt durch die Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. und die Hochschule Biberach mit Untersuchungen zu den Schwerpunkten Netz, Energiewirtschaft und Systemqualifikation.
• Die praktische Umsetzung des Verbundprojekts erfolgt in einer Erprobung und Demonstration der neuen Lösungen als Gesamtsystem für den jeweiligen Anwendungsfall im praktischen Einsatz.
• Abschließend folgen die Synthese und Bewertung der gewonnenen Erkenntnisse mit der Ableitung von Empfehlungen für die Gestaltung zukünftiger Rahmenbedingungen und Regularien.

FfE-Inhalte im Projekt

Die Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V. (FfE) wird in ihrem Teilvorhaben als wissenschaftlicher Begleiter des Forschungsprojekts zunächst ein gemeinsames Verständnis der Partner in den wesentlichen Forschungsbereichen des Vorhabens herstellen und für das Projekt essenzielle Rahmenbedingungen und Grundlagen untersuchen. Die Aufarbeitung und Dokumentation der national und international relevanten Trends und Rahmenbedingungen bildet die Grundlage für Weiterentwicklungen und Optimierungen der Projektpartner.

Darüber hinaus wird sich die FfE mit der technischen und wirtschaftlichen Bewertung der im Projekt entwickelten Lösungen befassen. Dabei werden die erarbeiteten Prosumer- und Ladeinfrastrukturlösungen durch simulative Analysen hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit dargestellt und einer Bewertung unterzogen. Dem Prosumer als zentralem Akteur in einem dezentralen Energiesystem kommt dabei eine entscheidende Rolle zu.

Er ist nicht nur Produzent von dezentral erzeugter Energie, sondern agiert gleichzeitig als Verbraucher. Die Integration dieser Rolle in das bestehende Energiesystem mit dem Ziel, eine belastbare und wirtschaftliche Ladeinfrastruktur zu ermöglichen, erfordert neben der Formulierung von Anforderungen an diese Rolle auch die Untersuchung ihres Einflusses auf die Energie- und Netzinfrastruktur. Die FfE untersucht diesen Einfluss mithilfe ihrer Simulations- und Optimierungsmodelle „GridSim“, „eFlame“, und „ISAaR“.

Abschließend befasst sich die FfE mit der Synthese der Ergebnisse. Dabei werden die Systemeigenschaften und die Leistungsfähigkeit der im Projekt entwickelten Lösungen charakterisiert und mit Fokus auf das technische und wirtschaftliche Zukunftspotenzial bewertet. Die Ableitung von Empfehlungen für die zukünftige Gestaltung von lokalen, resilienten und kostengünstigen Ladelösungen im Energiesystem runden das Teilvorhaben ab.

Methodik

Mithilfe der Simulations- und Optimierungsmodelle werden insbesondere potenzielle Rückwirkungen der Ladelösungen auf Verteilnetze und das Energiesystem berechnet und analysiert.

Das Modell „GridSim“ bildet dabei die resultierenden Belastungen im Verteilnetz und identifiziert Netzausbaubedarf nach. „eFlame“ simuliert verschiedene Ladelösungen zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit der Liegenschaften und das Modell „ISAaR“ ergänzt dieses um die Charakterisierung der Ladelösungen im Zusammenhang mit Energiesystemrückwirkungen und THG-Einsparpotenzialen. Auf Basis der Analysen werden die Auswirkungen sowie Möglichkeiten eines großflächigen Einsatzes der vielfältigen Ladelösungen evaluiert.

Systemlandschaft

Durch die Zusammenarbeit eines breit aufgestellten Konsortiums aus Industriepartnern in den Bereichen Leistungselektronik und PV-Systemlösungen, digitale Lösungen für die Energiewirtschaft und Netzbetreiber, Konnektivitätslösungen sowie Ladestationen und Ladeparklösungen zusammen mit wissenschaftlichen Partnern aus der energiewissenschaftlichen Forschung und der Energiesystemtechnik verfügt dieses Projekt über alle notwendigen Kompetenzen.

Die praxisorientierten Systemlösungen für die fünf Segmente PV-Home-Laden, Mehrfamilienhäuser, Gewerbe & Flotten, Ladeparks und öffentliche Ladepunkte, sowie VPP-Backend-Lösungen für die Netz- und Marktintegration, werden wie folgt umgesetzt:

Der Plattformbetreiber vermarktet die Flexibilitäten, die vom Aggregator bereitgestellt werden, durch digitale Markt- und Netzintegration über das Backend und VPP sowie durch die Einbindung der Ladeinfrastruktur in VPP-Lösungen. Der Aggregator bündelt die Flexibilitäten der n-Anschlussnehmer und gibt Steuerbefehle über das SMGW an das EMS. Durch die Entwicklung neuer und effizienter Konnektivitätslösungen im Mesh-System und deren Integration in Heimspeichersysteme, Photovoltaikanlagen, Wechselrichter, Wärmepumpen und Ladestationen wird eine robuste Funkverbindung zwischen den beteiligten Geräten des Anschlussnehmers hergestellt. Eintreffende Steuerbefehle oder ausgehende Rückmeldungen werden gleichermaßen über das EMS übertragen. Die Verarbeitung der Steuerbefehle und Rückmeldungen erfolgt über das SMGW/CLS oder DAM/OEM an den zuständigen MSB und Aggregator.

Die Umsetzung der im Projekt gesetzen Ziele zu §14a, marktliche Netzdienstleistungen, Lastmanagement in Mehrfamilienhäusern, Gewerbe und Flotten sowie preisoptimiertes Laden werden mit Untersuchungen zur Interoperabilität und netz- und energiewirtschaftlichen Analysen begleitet. Aus dem Aufbau und der Interoperabilität der Akteure werden die verschiedenen Systeme dementsprechend qualifiziert.

Projektpartner

Am Vorhaben Systemladen 2025 beteiligen sich 6 Verbundpartner. Das Konsortium verbindet industrieseitig die Kompetenzen aus den Branchen Leistungselektronik & PV-Systemlösungen, digitale Lösungen für Energiewirtschaft & Netzbetreiber, Konnektivitätslösungen sowie Ladestationen & Ladeparklösungen. Durch die Wissenschaftspartner aus der energiewirtschaftlichen Forschung und der Energiesystemtechnik werden auch die nötigen wissenschaftlichen Kompetenzen abgedeckt.

Unter der Leitung des Konsortialführers SMA Solar Technology AG besteht das Projekt aus den Industriepartnern convea GmbH, elexon GmbH, who Ingenieurgesellschaft mbH und den Forschungspartnern Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V. sowie der Hochschule Biberach, Lehrstuhl für Elektrische Systeme.

Förderung

Das Forschungsprojekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert (Förderkennzeichen: 01MV23012E).