Ratgeber: Beladung von Elektroautos mit eigenem Photovoltaik-Strom

Eine Kombination eines Elektroautos mit einer eigenen Solaranlage hat den Vorteil, dass einerseits das Elektroauto umweltfreundlich betrieben wird. Andererseits steigt auch der Eigenverbrauch an eigenem Solarstrom und damit die Wirtschaftlichkeit der eigenen Photovoltaik-Anlage. Für eine Fahrleistung von 20.000 Kilometern im Jahr reichen bereits circa 4 kW_p installierte PV-Leistung. Wer seinen Solarstrom für das Beladen des Elektroautos einsetzt, muss dann für 100 km nur noch mit Solarstrom-Kosten von etwa 2,50 Euro rechnen.

• Mit Sonnenstrom vom eigenen Dach können Sie Ihr Elektro-Auto umweltfreundlich und auch günstiger betanken als mit Haushaltstrom aus der Steckdose.
• Das Beladen des Elektroautos mit eigenem PV-Strom erhöht den Eigenverbrauch und die Wirtschaftlichkeit der Photovoltaik-Anlage.
• Für die Einrichtung einer Ladestation in der Garage oder auf seinem Stellplatz ("Wallbox"), für Batteriespeicher und E-Autos gibt es Fördermittel.
• Ein Elektroauto kann man tagsüber ganz einfach anschließen und mit eigenem PV-Strom beladen. Eine Beladung über Nacht erfordert hingegen einen Stromspeicher.
• Der Solarstromanteil ist umso höher ist, je häufiger tagsüber (bei Sonnenschein) geladen wird, je größer die Photovoltaikanlage und je kleiner die Ladeleistung des E-Autos ist.
• Eine niedrige Ladeleistung des E-Autos bedingt längere Ladezeiten, der nutzbare Solarstromanteil steigt jedoch, da die PV-Anlage häufiger ausreichend Ladeleistung liefern kann.

Angetrieben von der Diskussion um Fahrverbote für Dieselautos und die Zuspitzung des Klimaproblems planen viele Hausbesitzer sich ein Elektroauto anzuschaffen. Viele der E-Auto-Interessenten wollen sich zugleich eine eigene Solarstromanlage anschaffen, um den selbst produzierten Solarstrom umweltfreundlich und kostensparend als Antriebsenergie einzusetzen.

Denn mit einer neu installierten Photovoltaik-Anlage lässt sich Solarstrom inzwischen in Deutschland auf Eigenheimen bereits ab 10 Cent je Kilowattstunde selbst erzeugen. Hersteller haben diesen Trend erkannt und bieten aufeinander abgestimmte Komplett-Systeme bestehend aus der PV-Anlage, Stromspeicher, Wallbox (wandhängende, meist privat genutzte Ladestation) und intelligentem Energiemanager an.

Um mit einer Photovoltaik-Anlage sowohl Strom für den eigenen Haushalt als auch für das Elektroauto zu erzeugen, sollte darauf geachtet werden, die Photovoltaikanlage nicht zu klein auszulegen.

Als Faustregel für die Größe der PV-Anlage gilt:

• PV-Anlage sollte mehr Solarstrom produzieren, als direkt im Haushalt verbraucht wird: Mindestens 1 kW_p Leistung pro 1.000 kWh Jahresstromverbrauch für Haushalt und Elektroauto.
• Für die Größe des Stromspeichers gilt: Bis zu 1 Kilowattstunde (kWh) Speicherkapazität pro 1.000 Kilowattstunden Haushaltsstromverbrauch. Bis zu 1,5 kWh pro 1.000 Kilowattstunden Verbrauch, wenn das Elektro-Auto vor allem abends geladen wird.

Aufgrund der rasant steigenden Zulassungszahlen kommt es immer häufiger zum sogenannten Retrofit. Hierunter versteht man sowohl die Nachrüstung von Solarstromanlagen mit einem Stromspeicher als auch die Erweiterung bestehender PV-Anlagen, um genügend Strom für moderne Heizsysteme und die Elektromobilität zu erzeugen.

Fahrzeuge werden im Haushalt in der Regel tagsüber genutzt. Sie fahren damit zur Arbeit, erledigen Ihre Einkäufe usw. Dies ist auch der Fall, wenn Sie ein Elektromobil besitzen (z.B. ein Elektroauto, -roller oder -fahrrad). Ist in Verbindung mit der PV-Anlage ein Stromspeicher installiert, können Sie den tagsüber gespeicherten Strom dazu nutzen, Ihr Elektrofahrzeug über Nacht aufzuladen.

Alternativ hierzu kann das Elektromobil auch tagsüber mit den Überschüssen der PV-Anlage aufgeladen werden, die nicht im Haushalt benötigt werden. Hierzu überwacht die Ladestation ständig die Stromerzeugung durch die auf dem Dach befindliche PV-Anlage und den Eigenverbrauch des Haushalts. Der Ladevorgang wird dann z. B. nur gestartet, wenn die eingestellte PV-Überschussleistung sicher zur Verfügung steht. Die Ladeleistung kann dann bei steigenden Überschüssen bis zu einer Maximalgrenze angehoben.

Während der Ladung wird die Leistung automatisch an die verfügbare Überschussmenge angepasst. Fällt die PV-Überschussleistung unter die eingestellte Grenze, wird der Ladevorgang unterbrochen, bis die Grenze wieder nach oben durchbrochen wird. Ist das Elektroauto durch den PV-Überschuss vollgetankt und es bestehen immer noch Überschüsse, die weder durch den Eigenverbrauch noch durch einen weiteren Speicher aufgenommen werden können, fließt der PV-Überschuss in das öffentliche Stromnetz.

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Laut "Technischer Leitfaden Ladeinfrastruktur" der Arbeitsgruppe 4 „Normung, Standardisierung und Zertifizierung“ der Nationalen Plattform Elektromobilität (NPE) kann das Laden der Batterie von Elektrofahrzeugen auf verschiedene Arten erfolgen:

• Beim (kabelgebundenen) Wechselstromladen sitzt die Ladeeinheit, die den im Netz verfügbaren Wechselstrom in den zum Laden benötigten Gleichstrom wandelt, im Fahrzeug. Das Fahrzeug wird dabei mittels einer geeigneten Versorgungseinrichtung (Ladestation, „Wallbox“) mit dem ein- oder dreiphasigen Wechselspannungsnetz verbunden.
• Beim (kabelgebundenen) Gleichstromladen befindet sich die Ladeeinheit außerhalb des Fahrzeuges. Das Fahrzeug wird direkt von einer DC-Ladestation mit einem vom Fahrzeug angeforderten Gleichstrom versorgt.
• Eine Dritte Alternative stellt das induktive Laden dar.
• Zusätzlich dazu ist ein Batteriewechsel möglich. Dabei wird das gesamte Batteriesystem aus dem Auto entfernt und durch ein geladenes Batteriesystem ersetzt.

Beim Laden mit Wechselstrom (AC) an einer üblichen Haushaltssteckdose („Schutzkontakt-Steckdose“) oder einer ein- oder dreiphasigen CEE-Steckdose findet keine Kommunikation zwischen Energieabgabestelle (Steckdose) und Fahrzeug statt. Diese Ladebetriebsart ist für das Laden von Fahrzeugen möglich, falls der Fahrzeughersteller diese Ladebetriebsart erlaubt und sichergestellt ist, dass die Spannungsversorgung mit einem RCD ausgestattet ist.

In Ergänzung hierzu gibt es Ladeleitungen, in die eine Steuer- und Schutzeinrichtung integriert ist („In Cable Control and Protection Device“ IC-CPD). Die IC-CPD schützt vor elektrischem Schlag bei Isolationsfehlern. Dabei erfolgt über ein Pilotsignal ein Informationsaustausch und Überwachung der Schutzleiterverbindung zwischen Infrastruktur und Fahrzeug.

Daneben kann das Elektroauto mit Wechselstrom (AC) an einer zweckgebundenen („dedicated“) Steckdose, die sich an einer am Netz fest installierten Ladestation (oder Wallbox) befindet, aufgeladen werden. Alternativ kann an der Ladestation ein fest angeschlossenes Ladekabel vorhanden sein. Eine Steuerung des Ladevorgangs wird durch einen Datenaustausch zwischen der Ladestation und dem Fahrzeug ermöglicht. Diese Ladebetriebsart basiert auf einer speziell für Elektrofahrzeuge errichteten Infrastruktur und bietet ein hohes Maß an elektrischer Sicherheit und Schutz der Installation vor Überlastung (Brandschutz).

Das kabelgebundene DC-Laden wird üblicherweise für höhere Ladeleistungen verwendet. Dabei ist das Kabel an der Ladestation oder Wallbox fest angebracht.

Eine spezielle Lösung für Photovoltaikanlagen hat SolarEdge entwickelt. Der einphasige SolarEdge Wechselrichter mit integrierter Ladefunktion für Elektroautos ermöglicht es Hausbesitzern, ihr E-Auto direkt mit Sonnenstrom aufzuladen. Der Wechselrichter hat eine Leistung von bis zu 5 kW und bietet Nutzern die Möglichkeit, Elektroautos bis zu 2,5 Mal schneller als mit einem herkömmlichen Ladegerät aufzuladen. Erreicht wird dies durch den von SolarEdge sogenannten "Solar-Boost-Modus", bei dem die Ladung gleichzeitig mit Netzstrom und PV-Strom erfolgt. Durch die Installation des einphasigen SolarEdge Wechselrichters mit integrierter Ladefunktion für Elektroautos kann auf die separate Installation einer Ladestation für Elektroautos und eines PV-Wechselrichters verzichtet werden.

Experten-Tipps:

• Der Typ-2-Stecker für Wechselstromladung und der CCS oder Combostecker (Gleichstrom Schnellladung) sind die Standardstecker in Europa. Von Typ 1 auf Typ 2 sind Adapterkabel erhältlich. CHAdeMO- und CCS/Combostecker sind nicht miteinander kompatibel.
• Die angegebene Leistung einer Ladesäule bezieht sich bei 11 kW auf eine Ladung über alle drei Phasen. Lädt ein E-Auto nur einphasig, dann können von 11 kW nur 3,7 kW fließen.
• 11-kW-Ladestationen haben den Vorteil, dass der Solarstromanteil im Auto höher ausfallen kann. Nachteilig ist, dass die meisten Autos langsamer geladen werden, insbesondere einphasig ladende Elektroautos (max. 3,7 kW).
• Mit 22-kW-Ladestationen lassen sich die meisten Elektrofahrzeuge schneller laden. Durch die hohe Leistung kann die Ladezeit reduziert werden, gleichzeitig verringert sich aber der Solarstromanteil im E-Auto.
• Fordert der Netzbetreiber für den Anschluss der Ladestation einen separaten Stromzähler, an dem dann die PV-Anlage nicht gleichzeitig angeschlossen ist, kann darüber kein Solarstrom in das Auto geladen werden.
• Wichtig ist, dass Ladestation und Photovoltaiksystem kompatibel zueinander sind, damit die PV-Anlage die Ladeleistung der Ladestation steuern kann so, wie gerade Solarstrom verfügbar ist.
• Bei Ladestationen gibt es große Preisunterschiede. Je nach Hersteller und Ausstattung variieren die Kosten für Ladestationen bis 22 Kilowatt von etwa 600 bis 2.500 Euro. Schnellladestationen mit mehr als 22 kW sind für den Hausgebrauch nicht zu empfehlen, weil sie den Hausanschluss überlasten würden.

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Da die Strombezugskosten höher sind als die Einspeisevergütung, ist ein hoher Eigenstromverbrauch anzustreben. Daher kann eine PV-Anlage umso wirtschaftlicher betrieben, je höher der Eigenverbrauch ausfällt. Wird mit dem von der PV-Anlage erzeugten Solarstrom ein Elektroauto geladen, steigt automatisch der Anteil des selbst genutzen Stroms auf 40 bis 50 %. Mit einem stationären Speicher kann auch nachts Strom aus der PV-Anlage genutzt werden. Dadurch kann der Eigenstrombedarf auf über 70 % gesteigert werden.

Nach heutigem Stand verbraucht ein leistungsstärkeres Elektroauto (unter normalen Praxisbedingungen) ungefähr 20 kWh auf 100 Kilometern. Dies entspricht ungefähr 2 Liter Benzin. Bei einer durchschnittlichen Fahrleistung von 20.000 Kilometern im Jahr reichen bereits circa 4 kW installierte PV-Leistung mit einer Ausbeute von 4000 kWh/a zum Betreiben des Elektrofahrzeuges. Gerechnet bei einem normalen Haushaltsstrompreis von 25 Cent/kWh verursacht das Elektroauto auf 100 km lediglich Kosten von 5 Euro, während ein mit Benzin betriebenes Auto Kosten von 9 Euro verursacht. Autos gehobener Klasse verursachen 20 Euro und mehr.

Wird das Elektroauto mit Strom aus der Photovoltaikanlage betrieben, wird der Unterschied noch größer. Rechnet man mit Gestehungskosten von 13 Cents pro selbst produzierter Kilowattstunde Solarstrom, so entstehen auf einer Strecke von 100 km Kosten von 2,60 Euro. Dies entspricht einer Differenz von 10,90 Euro gegenüber dem Benzinauto. Auf einer Jahresleistung von 20.000 km hochgerechnet ist dies eine Kostenersparnis von 2.180 Euro im Jahr.

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Die Batterien von Elektrofahrzeugen können nicht nur dazu dienen, den Strom von der Solaranlage aufzunehmen und später für die Fahrt zum Büro, Einkauf oä zu verwenden. Sie können auch den Solarstrom der Photovoltaikanlage aufnehmen und später wieder in den Hausstromkreis einspeisen (Vehicle-to-Grid-Technik (V2G) & Vehicle to home (V2H)). So wird nur noch ein kleinerer stationärer Speicher nötig oder kann gar ganz entfallen.

Das bidirektionale Be- und Entladen eines Elektroautos mit Solarstrom setzt aber nicht nur voraus, dass die Ladestation dies technisch gewährleisten kann, sondern auch, dass das Elektroauto selbst das Laden in beide Richtungen unterstützen muss. Die V2G-Fähigkeit wird heute (Stand 2018) nur von dem japanischen CHAdeMO-Standard ermöglicht. Dieser ist bei den meisten Elektroautos von Nissan (z. B. Nissan Leaf und Nissan e-NV200), Mitsubishi und Kia verbaut.

Das erste Elektroauto, das bidirektional geladen und entladen werden kann und erstmals alle regulatorischen Anforderungen eines Übertragungsnetzbetreibers (ÜNB) zur Lieferung von Primärregelleistung erfüllte, war ein 2018 von The Mobility House, dem Energieversorger ENERVIE, dem Übertragungsnetzbetreiber Amprion und dem Automobilhersteller Nissan entwickelter Nissan Leaf. Dieser Nissan Leaf kann somit nicht nur den z. B. Solarstrom vom eigenen Dach in der Traktionsbatterie speichern, sondern bei Bedarf auch wieder zurückspeisen.

Denkbar ist auch, den eigenen Solarstrom unterwegs zu tanken. Durch vernetzte Stromzähler könnten dann Strommengen, die man eingespeist hat, mit den extern aufgeladenen kWh verrechnet werden. Noch flexibler ist die Einrichtung von Strom-Konten: Eingespeister Solarstrom würde dann auf einem Konto gutgeschrieben und später beim E-Tanken angerechnet.

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