Der Kreislauf des Stroms
Strom fliesst in alle Richtungen. Je nachdem wo wieviel produziert und wo wieviel verbraucht wird. Er wird in Europa an einer Börse gehandelt – auch hier gilt das Gesetz von Angebot und Nachfrage, welches den Preis bestimmt.
Wie wird er produziert? Wie kommt er zu uns nach Hause? In welchen Formen kann er gespeichert und wie am besten wieder verwendet werden? Die nachfolgende Grafik soll Ihnen genau diese Fragen beantworten. Scrollen Sie weiter und Sie erfahren, was an welcher Stelle mit dem Strom passiert.
Produktion
Strom kann auf die verschiedensten Arten produziert werden. Im Kernkraftwerk, durch Sonnen-, Wind- und Wasserenergie oder in Kohlekraftwerken. Tatsächlich macht der Anteil der KKW im gesamten Stromnetz nur rund 26% aus - und das ist das doppelte davon, was die Krenraftenergie weltweit ausmacht. Weitere 20% kommen in Europa aus Sonnen-, Wind- und Wasserenergie und mehr als 50% von fossilen Brennstoffen, wovon das meiste aus Kohlekraftwerken stammt.
Transport
Von der Quelle zum Verteiler
Wenn er mal produziert ist, kommt er ja von alleine zu uns nach Hause. Fast.
Nach der Produktion wird der Strom für den Transport über längere Distanzen erst mal mit einer Frequenz von 50Hz (Wechselstrom) auf Höchstspannungsleitungen (bis 220kV) übertragen. Kommt er näher ans Ziel, wird er auf Hochspannungsleitungen (110kV) geleitet, von wo die ersten Verbraucher den Strom beziehen. An dieser Stelle sind es vor allem Unternehmen die hohe Mengen an Strom benötigen wie industrielle Abnehmer oder Eisenbahnen.
In einem nächsten Schritt geht der Strom auf Mittelspannungsleitungen über mit einer Spannung von 1-50kV. Erst danach wird er ins Stadt- oder Ortsnetz geleitet, wo er noch eine Spannung von 400 bzw. 230 Volt hat. Dies sind dann die Niederspannungsleitungen, von denen auch wir unseren Strom beziehen.
Der Weg zum Haus
Vom grossen Stromkreislauf kommt der Strom noch nicht direkt zu unseren Häusern - zuerst läuft er noch über einen Verteilerkasten bevor er zu den einzelnen Stromkästen in den Häusern weitergeleitet wird. Bis er am Haus ankommt, ist der Strom dreiphasig - auch Drehstrom genannt. Drehstrom deshalb, weil in diesen Stromleitungen drei Phasen, also drei Leiter, vorhanden sind. Jeder dieser Leiter hat dieselbe Spannung, allerdings sind die Spannungskurven und somit bei jeder Kurve die Maxima um einen Drittel der Sinusphase verschoben. So entsteht die Drehung, weshalb man den Strom eben auch Drehstrom nennt.
zu Hause
Strom-Speicher
Es ist eine spannende Zeit, was das Speichern von Strom betrifft: Aktuell werden die neusten Technologien getestet, wie zum Beispiel smart grid. Es geht darum, den Strom bei Nutzungstiefs zu speichern und bei grösserer Nachfrage wieder 'abrufen' zu können.
Speichern können wir aber jetzt schon und zwar mit Batterien, wie es jeder von uns kennt. Diese Batterien werden ganz einfach aufgeladen und als Energielieferant verwendet. Genau so auch in einem Elektroauto.
Verteilung im Haus
Anders als beim Verteiler ausserhalb der Häuser verläuft der Strom im Haus nur einphasig. Er kommt von aussen also dreiphasig beim Stromkasten an und wird da abgeschwächt, also einphasig, auf die Dosen weitergeleitet. Die Dosen in jedem Haus sind so angelegt, dass jede Phase gleich belastet wird.
Nutzung
Allgemeines zur Strom-Nutzung
Die Nutzung von Strom ist vielseitig: Wir brauchen ihn täglich, schon nur zum Haare föhnen, Kaffee machen, etc ... All das würde ohne Strom nicht funktionieren. Und bald gehört auch das Autofahren zu den Dingen, die man dem Strom verdankt. Das Nutzen von Strom ist aber nicht ganz ohne. Er hat eine unglaublich starke Energie, mit deren Nutzung man sehr überlegt umgehen muss. Deshalb gibt es heute europäische Standards, denen die elektrischen Geräte entsprechen müssen, damit sie als 'sicher' gelten können.
Haushaltsgeräte
Die Haushaltsgeräte haben einen vergleichsweise niedrigen Stromverbrauch. Wie hoch er bei den einzelnen Geräten ist, wird jeweils als 'maximale Leistung' angegeben. Liegt diese Beispielsweise bei einem Föhn bei 1000W (=1kW) verbraucht man mit dem Betrieb dieses Geräts in einer Stunde 1kW. Der Verbrauch liegt also bei 1 kWh (Kilo-Watt-Stunden). Somit benötigen diese Geräte keine dreiphasigen Anschlüsse - es genügen Steckdosen, bei denen der Strom nur einphasig bezogen wird. Es wird vom dreiphasigen Zugang also pro Haushaltssteckdose nur eine Phase weitergeleitet. Damit alle drei Phasen aber gleich belastet werden, müssen die Geräte gleichermassen auf die Phasen aufgeteilt werden. (siehe Abbildungen)
Stecker und Dosen in Kürze
In einer normalen Schuko-Dose und in der blauen CEE-Dose gibt es immer eine Phase und Null und Schutzleiter - deshalb sind dies auch "230V-Steckdosen". Die blauen CEE stellen nur eine andere Bauform der Schuko-Dosen dar – solide und spritzwassergeschützt. In den roten CEE-Dosen gibt es drei Phasen und Null- und Schutzleiter – deshalb "400V-Steckdosen" oder umgangssprachlich "Drehstromsteckdosen". Die roten CEE-Dosen gibt es in 2 Größen - eine ist mechanisch größer als die andere - dies hat aber nichts mit Stromstärken zu tun!
Grundsätzlich lässt sich aus jeder "400V-Steckdose" (CEE rot) eine "230V-Steckdose" machen (Schuko oder CEE blau). Hierzu wird nur die richtige Kombination aus "Stecker -> Kabel -> Kupplung" benötigt. Elektrisch erfolgt hier keine Umwandlung oder anderes Hexenwerk - es werden schlichtweg zwei Phasen weggelassen.
ACHTUNG: es gibt eine Besonderheit. Die grundsätzlich vorgeschalteten Sicherungen dienen dem Schutz der nachfolgenden Kabel und Geräte vor zu hohen Strömen. In der typischen Hausverteilung wird ein Kabel mit einem Querschnitt von 1,5mm² verwendet. Diese Kabel dürfen nur mit maximal 16A belastet werden, sonst besteht Brandgefahr. Eine Schuko-Dose oder eine Dose für CEE blau darf ebenfalls mit 16A belastet werden und ist dementsprechend mit 16A abgesichert. Die kleinere CEE rot ist mit 3x16A abgesichert. Wenn ich hier zwei Phasen weglasse und auf eine Schuko-Kupplung oder CEE blau adaptiere, ist alles gut, denn die eine Phase ist ja ordnungsgemäß mit 16A abgesichert!
Die größere CEE rot darf mit 3x32A belastet werden und ist auch durch drei 32A-Sicherungen abgesichert. Wenn ich hier jetzt zwei Phasen weglasse und auf Schuko adaptiere, dann wäre die Schuko mit 32A abgesichert, was wiederum gefährlich wird! Deshalb müssen bei Adaptierungen von der CEE 32 auf andere kleinere Steckdosen immer zusätzlich 16A-Sicherungen im Adapterkabel vorhanden sein. Dies macht deutlich, dass nirgendwo eine Umwandlung erfolgt und auch keine großartige Elektronik erforderlich ist - der Strom ist überall gleich! Die Adapterkabel sind immer dumm und auch entsprechend günstig zu bekommen. Steckdosen liefern keine bestimmte Stromstärke, sondern immer nur den Strom, der vom angeschlossenen Gerät "angefordert" wird - bis maximal zur Höhe der vorgeschalteten Sicherungen.
Ladevorgänge
Das Laden von Autos unterscheidet sich vom Gebrauch herkömmlicher elektronischer Geräte. Zwar ist das Laden an einer Haushaltssteckdose auch möglich, dauert aber viel länger. Um ein Auto effizient zu laden, empfiehlt sich ein Anschluss an einer dreiphasigen Steckdose. Allerdings ist dieser dreiphasige Anschluss wiederum nicht derselbe, wie oben bereits einmal beschrieben. Hier benötigt man nämlich keinen Drehstrom, sofern man mit dem Auto keine Pirouetten drehen möchte. Obwohl der Aufbau derselbe ist, wie bei den Dosen mit Drehstrom, wird der Strom nicht als solcher bezogen, sondern von jeder Phase über den Nullleiter - somit liefert jede Phase 230V. Den Aufbau dieses Anschlusses sehen Sie auf der Abbildung.
Auto laden
Mode 1
Im Mode 1 können prinzipiell nur elektrische Geräte geladen werden, die keiner Kontrolleinheit bedürfen (siehe nächste Abschnitte), sondern direkt, also ohne Kommunikation, an der Dose angeschlossen werden. Dies sind zum Beispiel Elektro-Fahrräder oder kleine E-Flitzer wie z.B. der Renault Twizy - aber jedenfalls keine ausgewachsenen Elektroautos.
Mode 2
Laden im Mode 2 bedeutet, dass die Kontroll- bzw. Steuereinheit für den Ladevorgang mobil ist. Lädt man also mit mobilen Ladegeräten, wie beispielsweise dem Juice Booster, passiert dies im Mode 2. Mobile Ladegeräte werden benötigt, um unabhängig überall laden zu können. Besagte Kontrolleinheit kommuniziert mit dem Auto und verriegelt automatisch den Anschluss an Auto und Stromquelle, sodass der Stecker unter Volllast nicht gezogen werden kann.
Mode 3
Das Laden im Mode 3 ist eigentlich genau dasselbe wie im Mode 2. Der einzige Unterschied: Die Kontrolleinheit ist hier nicht mobil, sondern stationär und vom Elektriker fix ans Stromnetz angeschlossen. Somit braucht man nur die Verbindung zwischen Auto und Kontrolleinheit, was den Transport der Ladekabel etwas einfacher macht - sofern dieses nicht sogar an der Ladestation fix angebracht ist.
Mode 4
Der Mode 4 steht für DC-Ladung. Hier wird der Strom durch einen Gleichrichter ausserhalb des Fahrzeuges (Abbildung: Juice Director) von Wechselstrom (AC) zu Gleichstrom (DC) umgewandelt. Dies ist nötig, da nur Gleichstrom in den Batterien abgespeichert werden kann. Diese Umformung erfolgt bei den anderen Lade-Modi erst an Bord des Autos. Ausserhalb des Autos können aber grössere, schwerere und damit stärkere Gleichrichter eingesetzt werden, die gleichzeitig mehr kW umwandeln können. Damit beschleunigt sich der Ladevorgang gegenüber Mode 1 bis 3. DC-Lader sind jedoch aktuell für den Gebrauch zu Hause viel zu teuer und eignen sich vor allem für Fahrzeugflotten. Laden im Mode 4 ist nur mit einem CHAdeMo-, einem CCS-Stecker oder am Tesla-Supercharger möglich. Weitere Angaben zum Laden mit DC finden Sie im nächsten Kapitel.
Beim Laden mit AC (Wechselstrom)
Wie im Kapitel AC/DC beschrieben, gibt es Strom in Form von Wechsel- und Gleichstrom. Der Wechselstrom ist einfacher zu transportieren, der Gleichstrom hingegen leichter abzuspeichern. Somit wird der Strom als Wechselstrom zum Auto geleitet, im Auto umgewandelt um dann als Gleichstrom in der Batterie gespeichert zu werden. Von der Batterie aus wird er wieder in Wechselstrom umgewandelt und zum Antrieb verwendet.
Beim Laden mit DC (Gleichstrom)
Der Schritt des Umwandelns von AC in DC kann auch bereits vorgezogen werden, sodass der Strom, der ins Auto kommt, bereits Gleichstrom ist und direkt abgespeichert werden kann. Dies benötigt aber ein spezielles Gerät und einen dafür geeigneten Stecker. Weil die Gleichrichter ausserhalb des Autos meist grösser und damit leistungsfähiger sind als eingebaute, verkürzt sich die Ladezeit. Mit welchen Steckern dieses beschleunigte Laden möglich ist, haben wir im Kapitel Stecker und Kabel beschrieben.
Beim Fahren
In modernen Elektro-Autos werden ausschliesslich Wechselstrom-Motoren eingesetzt. Die Vorteile gegenüber Gleichstrom-Motoren machen den wirklich sehr geringen Verlust der Umwandlung aus dem Batterie-Gleichstrom mehr als wett:
Wechselstrom-Motoren verfügen über einen deutlich besseren Wirkungsgrad. Sie können im Schubbetrieb nahtlos auf Dynamo umschalten (rekuperieren) und damit richtig viel Energie aus der Verzögerung zurückgewinnen.
Die Automarke Tesla ist übrigens als Hommage an den Entdecker des Wechselstroms benannt, den serbischen Kroaten Nikola Tesla.
Akku oder Batterie?
Der Akkumulator
Der Akku ist es, der heute in den meisten Elektrofahrzeugen dafür sorgt, dass man damit vorankommt. Umgangssprachlich wird er oftmals einfach „Batterie“ genannt, was fachlich gesehen jedoch falsch ist. Batterien sind einmalige Energiespeicher und können nicht wieder aufgeladen werden. Da Einwegbatterien in Elektroautos eine ziemliche Verschwendung wären, verwendet man – wie bei Handys und Co. – die wieder aufladbaren Akkus (Akkumulatoren - lat. accumulare „anhäufen“).
Materialien und Recycling
In den gängigen Elektrofahrzeugen werden heute Lithium-Ionen-Akkumulatoren eingesetzt. Die bestehen – wie es der Name schon sagt – aus dem Rohstoff Lithium, der vor allem in Regionen wie Afghanistan, Südamerika, China oder Australien vorhanden ist. (Details siehe Karte)
Für eine Akkukapazität von 1 kWh werden rund 100g Lithium benötigt. Dieses muss dabei einen Reinheitsgrad von 99.95% aufweisen, um die volle Leistung garantieren zu können. Bei einem BMW i3 mit einer Kapazität von 22 kWh wären das also ca. 2.2 kg des Rohstoffs, das bei einer weltweit geschätzten Vorratsbasis von 13 Millionen Tonnen (Gesamtvorkommen wird auf 29 Millionen Tonnen geschätzt). Der grosse Vorteil der Lithium-Ionen-Akkumulatoren ist das Recycling. 90% des Rohstoffs aus Batterien und Akkus kann – ganz im Gegensatz zu Rohstoffen wie Erdöl oder Erdgas – wiederverwertet werden. Nicht nur das Lithium kann durch Extrahieren recycelt werden – um die Wiederverwertung einfacher zu gestalten, werden Akkus, die ihre Lebensdauer erreicht haben und nicht mehr die volle Kapazität erbringen, als stationäre Energiespeicher weiterverwendet werden.
FI Schutz
FI-Schutz
Grundsätzlich weisen verantwortungsbewusste Anbieter von Ladeboxen darauf hin, dass der FI-Schutz bauseits (also in der Haus-Elektroinstallation) vorhanden sein muss. Bei Starkstrom (dreiphasig) muss es sich um einen FI Typ B handeln, sofern Gleichfehlerströme nicht ausgeschlossen werden können. Das ist der Fall, wenn im Auto die Batterie nicht galvanisch getrennt ist (aktuell bei Renault Zoe der Fall). Allerdings ist dieser recht kostspielig und mit Preisen zwischen ca. EUR 400 und 800 auf dem Markt. Somit ist ein zusätzlicher FI-Schutz in einer Home- oder einer mobilen Ladebox nicht nötig. Ausserdem erscheint bei genauer Betrachtung logischerweise auch viel sinnvoller, möglichst die ganze Zuleitung zu schützen (also ab Hausverteiler) und nicht nur die letzten Meter zwischen Ladebox und Auto, zumal der spritzwassergesicherte Typ2-Stecker ja erst Strom führt, wenn er korrekt und sauber eingesteckt ist.
