Bidirektionales Laden (V2H, V2L, V2G): Das E-Auto als Stromspeicher verwenden

Bidirektionales Laden ist ein revolutionäres Konzept. Es hat nicht nur das Potential die Art und Weise, wie wir Elektroautos nutzen, grundlegend zu verändern, sondern auch unser Energiesystem zu transformieren.

Deshalb ist das Thema bei E-Mobilitäts-Enthusiasten so populär wie das Lied "Last Christmas" jedes Jahr im Dezember - man kann sich ihm buchstäblich nicht entziehen. Aber wenn man versucht, Informationen über die grundlegende Definition des bidirektionalen Ladens zu recherchieren, wird man mit einer überwältigenden Anzahl von Wikipedia-Artikeln mit zweifelhaften Quellen überschwemmt. 

Wir sagen, es ist an der Zeit, etwas Licht ins Dunkel zu bringen. In diesem umfassenden Artikel erfährst du alles Wissenswerte über das Thema „Bidirektionales Laden“, wie es funktioniert, welche Vorteile es bietet und welche Technologien dahinterstehen.

Bidirektional bedeutet "in zwei Richtungen" oder "in beide Richtungen". Beim Laden von Elektroautos bedeutet das zum Beispiel, dass der Strom in beiden Richtungen fließen kann.

Bidirektionales Laden bedeutet, dass der Strom in beide Richtungen fließen kann, nämlich vom Netz ins Fahrzeug und vom Fahrzeug zurück ins Netz. Dein E-Auto kann also nicht nur mit Strom geladen werden, es kann auch Strom abgeben und dient somit als Energiespeicher.

Wie wir in einem unserer früheren Blog-Beiträge erklärt haben, wird beim Laden eines Elektroautos Wechselstrom (AC) immer in Gleichstrom (DC) umgewandelt. Der vom Netz kommende Strom ist dabei immer Wechselstrom, während der von deiner Autobatterie aufgenommene Strom immer Gleichstrom ist. 

Lädst du dein Elektroauto auf, wird der Wechselstrom aus dem Netz in Gleichstrom umgewandelt. Diese Umwandlung erfolgt entweder in der Ladestation selbst, wie es bei DC-Ladestationen der Fall ist, oder im Fahrzeug, wenn du eine AC-Ladestation verwendest. Soll der Strom nun aber wieder vom Auto ins Haus oder Netz eingespeist werden, muss er einen umgekehrten Umwandlungsprozess durchlaufen und dafür braucht es einen Wechselrichter und, je nach Anwendungsfall, also ob du den Strom nun für deine Haushaltsgeräte verwenden willst, oder ob du ihn eben wieder ins öffentliche Netz einspeisen möchtest, geeignete technische Lösungen, die auch rechtlichen Anforderungen standhalten.

Die von einer PV-Anlage erzeugte Energie hingegen wird zunächst als Gleichstrom erzeugt. Theoretisch könnte eine DC-Ladestation eine Batterie direkt und ohne zusätzliche Umwandlung aufladen. Die damit verbundenen Kosten, wie etwa für die bidirektionale Wallbox Quasar mit einem Preis von rund 6.000 Euro, überwiegen jedoch oft den Nutzen.

Normale AC-Ladestationen/Wallboxen sind nicht in der Lage, die Energie wieder umzuwandeln, während bidirektionale DC- und AC-Ladestationen dafür sorgen, dass die Energie vom autogerechten Strom (Gleichstrom) in den normalen Haushaltsstrom (Wechselstrom) zurückverwandelt wird. Auf diese Weise kannst du die in der Autobatterie gespeicherte Energie nutzen, um dein Haus mit Strom zu versorgen oder einen Teil davon an das Stromnetz zurückzugeben.

Das bidirektionale Laden bietet eine Vielzahl von Vorteilen für Nutzer und unser Energiesystem:

• Verbesserte Steuerung der Energienachfrage: Bidirektionale Ladestationen für Elektroautos tragen dazu bei, die lokale Energienachfrage auszugleichen, indem sie die gespeicherte Energie des Autos nutzen und so eine Überlastung zu Spitzenzeiten verhindern.

• Möglichkeit des Weiterverkaufs von Energie: Hausbesitzer, die über bidirektionale Ladestationen verfügen, können überschüssige Energie in Zukunft an lokale Energieversorger verkaufen, wovon sicherlich ein breites Spektrum von Nutzern profitiert.

• Mehr Unabhängigkeit vom öffentlichen Netz: Hast du eine PV-Anlage, bietet dir das bidirektionale Laden eine Möglichkeit, deine Unabhängigkeit vom öffentlichen Stromnetz auszubauen. PV-Überschüss kann in der Batterie deines E-Autos gespeichert und bei Bedarf wieder verwendet werden, was die Abhängigkeit vom Netz reduziert.

• Niedrigere Ladekosten: E-Autobesitzer können von niedrigeren Stromkosten profitieren, indem sie ihr Elektroauto zu Zeiten aufladen, in denen der Strom besonders günstig ist, also zum Beispiel in der Nacht, und dann tagsüber (zB. in der Früh), wenn Strompreise wieder steigen, wieder ins öffenltiche Netz einspeisen. Davon kann sicherlich ein breites Spektrum von Nutzern profitieren.+

• Netzstabilisierung: In Zeiten, wenn die Stromnachfrage besonders hoch ist, kann die in E-Autos gespeicherte Energie in das öffentliche Netz eingespeist werden, um Lastspitzen auszugleichen.

• Reduktion des CO2-Fußabdrucks: Bidirektiionales Laden hilft dabei Energie effizienter zu nutzen und ist ein wichtiger Baustein im Klimaschutz.

Bidirektionales Laden kann viele Zwecke erfüllen. Du kannst damit z. B. deine Haushaltsgeräte mit Strom versorgen, den Strom an das Stromnetz verkaufen oder eine isolierte Rentierfarm mit Strom versorgen, wie Hyundai es getan hat. 

Hier drei Varianten des bidirektionalen Ladens:

Bislang ist dies die am weitesten entwickelte Methode des bidirektionalen Ladens. Sie ermöglicht es dir, Strom aus der Batterie deines Elektroautos zum Aufladen von Geräten mit geringem Verbrauch zu verwenden.

Stelle dir vor, du verbringst einen Campingurlaub mit deiner Familie und bereitest in der Früh zwei Tassen Kaffee vor, indem du die Kaffeemaschine direkt an dein Fahrzeug mit V2L-Funktionen anschließt. Um die bidirektionale Ladung von Fahrzeug zur Last zu nutzen, bedarf es einer normalen Schuko-Steckdose im Elektroauto, an die du die Kaffeemaschine anschließen kannst. Oder du benötigst einen Adapter für den Typ-2-Ladeanschluss deines Autos, wie ihn z. B. Hyundai für den IONIQ 5 und IONIQ 6 anbietet. Die maximale Leistung beträgt zwar nur 3,7 kW, aber für den Betrieb einer Kaffeemaschine, eines Haartrockners oder eines Wasserkochers ist das ausreichend.

Mit der V2G-Technologie können Elektrofahrzeuge Strom sammeln, wenn die Nachfrage gering ist und ihn während der Spitzenzeiten wieder in das öffentliche Stromnetz einspeisen. 

Stelle dir vor, die Menschen kommen von der Arbeit nach Hause, drehen ihre Klimaanlagen auf, schalten das Licht ein und werfen vielleicht den Mixer an, um sich einen erfrischenden Smoothie zu machen. Du kannst es dir wie eine “Stromparty” vorstellen, bei der das öffentliche Stromnetz derjenige ist, der einen Kater hat. Einfach ausgedrückt: Das Stromnetz in der gesamten Region leidet unter der hohen Belastung. 

Die Lösung? Wenn der Strombedarf hoch ist, können E-Autos Strom in das Netz einspeisen und so als dezentrale Energiequelle fungieren. Umgekehrt können sie in den Schwachlastzeiten aufgeladen werden.

Das Ziel des bidirektionalen Ladens ist in diesem Fall, zur Netzstabilität beizutragen und den Bedarf an zusätzlichen Kraftwerken zu verringern. Die maximale Leistung der ins Netz zurück fließenden Energie steht noch nicht fest, aber einer der Hersteller, sun2wheel, bietet Vorbestellungen für bidirektionale DC-Ladegeräte mit einer maximalen Leistung von 10 kW in beide Richtungen an. 

Bidirektionale AC-Ladegeräte kommen nur sehr langsam auf den Markt. Darüber hinaus ist es aktuell noch eine Herausforderung, ein AC-Ladegerät zu bestellen.

V2H ermöglicht es deinem Elektroauto, Strom aus der Autobatterie in dein Haus oder ein anderes Gebäude zu liefern. Ähnlich wie bei V2G beinhaltet dieser Prozess einen Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler im On-Board-Charger des Elektroautos. Der Unterschied besteht darin, dass in diesem Fall die Energie in das elektrische System eines bestimmten Gebäudes eingespeist wird. 

Eine praktische Anwendung ist daher die Optimierung des Energieverbrauchs in Wohngebäuden. Du kannst dein Elektroauto zum Beispiel nachts aufladen, wenn dein Fernseher, dein Mixer und deine Waschmaschine ein Nickerchen machen und der Strombedarf gering ist. Die gespeicherte Energie kannst du dann tagsüber, wenn der Stromverbrauch höher ist, für dein eigenes Haus nutzen. Auf diese Weise trägst du nicht nur zur Stabilität des Stromnetzes bei, sondern sparst aufgrund der schwankenden Strompreise auch jede Menge Geld.

Eine weitere Möglichkeit bestünde darin, überschüssigen Photovoltaikstrom mit einem bidirektionalen Ladegerät zu kombinieren. Auf diese Weise könntest du Strom erzeugen, ihn in deinem Fahrzeug speichern und vom Netzbetreiber einen Bonus für die Einspeisung von Strom zu Spitzenlastzeiten erhalten. Dies bleibt zwar vorerst ein theoretisches Konzept, ist aber sehr vielversprechend.

Es gibt mittlerweile eine ganze Reihe von Elektroautos auf dem Markt, die mit der Hardware für bidirektionales Laden ausgestattet sind. Aber ohne entsprechender Software oder passend günstiger Wallbox hast du leider wenig davon.

Quelle: ADAC

Der VW ID.5. ist zum Beispiel mit 77 Kilowattstunden Kapazität technisch für Vehicle-to-Home-Laden gerüstet, passende günstige AC-Wallboxen gibt es derzeit aber nicht und VW beschränkt das bidirektionale Laden aktuell noch auf 4000 Stunden oder 10.000 kWh. Wenn du dein Auto also als Speicher verwendest und jeden Tag 11 Stunden Strom für deine Haushaltsgeräte entnimmst, z. B. wenn du keinen PV-Strom produziert, wird das bidirektionale Laden nach einem Jahr abgeschaltet. Das rentiert sich aktuell nicht. Denn die wenigen bidirektionalen Ladestationen, darunter vor allem DC-Ladestationen, die Vehicle-to-Grid- und Vehicle-to-Home-Fähigkeiten versprechen, sind teils mit extrem hohen Preisen verbunden und für private Haushalte eher unerschwinglich. Einige kosten mehr als 20.000 Euro, was es für frühe Anwender zu einem kostspieligen Wagnis macht, denn wer weiß, ob diese teuren Ladestationen in einigen Jahren, wenn die Technologie ausgereift ist, als veraltet gelten, weil sie nicht über die neuesten Funktionen verfügen.

Darüber hinaus gibt es immer häufiger Pilotprojekte von Autoherstellern, um Erfahrungswerte für die Technologie zu sammeln. Hyundai erprobt beispielsweise aktuell “echtes” Vehicle-to-Grid- oder Vehicle-to-Home-Laden anhand einer angepassten Software im IONIQ 5. Und auch Nissan sammelt fleißig Daten. Im Rahmen des Projekts namens i-rEzEPT sind seit Oktober 2020 dreizehn Nissan Leaf in Privathaushalten im Einsatz. Da der japanische Autohersteller jedoch auf CHAdeMO als Ladeanschluss setzt, ist die praktische Umsetzung innerhalb Europas fragwürdig. Denn CHAdeMO-Anschlüsse sterben nach und nach in Europa aus. Wallboxen gibt es dafür hierzulande keine.

Mit der neuen Wallbox von go-e ist bidirektionales möglich. Der go-e Charger PRO, der voraussichtlich Herbst 2024 auf den Markt kommt, ist gemäß ISO 15118 V2X ready und Plug & Charge ready und somit hardwareseitig fit für bidirektionales Laden. Auch Plug&Charge ist hardwareseitig vorbereitet und wird in Zukunft eine Autorisierung, Freischaltung und Abrechnung von Ladevorgängen ermöglichen, ohne dass du den Ladevorgang per RFID oder App freischalten musst. Eine neue Ära des Ladens kann beginnen.

Bidirektionales Laden scheint immer noch etwas unrealistisch, obwohl es auf fast jeder E-Mobilitätskonferenz erwähnt wird. Das Thema gibt es schon seit einiger Zeit, aber was wurde bisher getan?

Schauen wir uns einige Beispiele an, bei denen bidirektionales Laden in der Praxis eingesetzt wurde: 

Tesla & Powershare

Der Cybertruck bietet mit seinem umstrittenen Design alle bidirektionalen Lademöglichkeiten. Besitzer von Elektrofahrzeugen können elektronische Geräte über die iim  Cybertruck integrierten Steckdosen mit Strom versorgen. Das Fahrzeug verfügt über zwei 120-V-Steckdosen (bis zu 20 A), zwei 120-V-Steckdosen (bis zu 20 A) und eine 240-V-Steckdose (bis zu 40 A). Auch das Laden anderer Elektroautos mit bis zu 9,6 kW ist möglich. Der Cybertruck kann mit einer Leistung von bis zu 11,5 kW sogar für die Notstromversorgung zu Hause sorgen.

Nissan in den USA

Der Automobilhersteller hat das bidirektionale Ladegerät Fermata Energy FE-20 für die Verwendung mit dem Nissan LEAF freigegeben. Der LEAF kann nun das FE-20-Ladegerät verwenden, um entweder seine Batterie aufzuladen oder Energie an ein Gebäude oder das Stromnetz zurückzusenden.

Hyundai IONIQ 5 & 6

Etliche Elektroautos verfügen bereits über Vehicle-to-Load-Fähigkeiten. Für Besitzer eines Hyundai Ioniq 5 / 6 reicht es beispielsweise, einen speziellen V2L-Adapter an die Typ-2-Steckdose anzuschließen, um eine Kaffeemaschine mit Strom zu versorgen oder sogar ein Elektrofahrrad aufzuladen.

Wie du siehst, ist die Zahl der Elektroautos, die bidirektionales Laden unterstützen, sowie die Zahl der dafür geeigneten Ladegeräte sehr gering und scheint nicht dramatisch zu wachsen. Warum ist das so? Dafür gibt es mehrere Gründe:

• Offene rechtliche Fragen

Wie soll der ins Netz zurückgespeiste Strom besteuert werden? Schließlich könnte ein Elektroautobesitzer sein Auto im Büro seines Arbeitgebers steuerlich begünstigt und sogar kostenlos aufladen und dann zu Hause gegen Geld ins Netz zurückspeisen.

• Bidirektionales Laden verkürzt die Lebensdauer der Autobatterie

Es ist nicht so, dass die Energie die Autobatterie verlässt, ohne dass sie etwas davon merkt. Durch ständiges Auf- und Entladen altert die Batterie, was dazu führen kann, dass sie früher ausgetauscht werden muss. Das würde eine beträchtliche Menge an unnötigem Abfall bedeuten, da die Batterie zumindest zum aktuellen Zeitpunkt nicht vollständig recycelt oder wiederverwendet werden kann.

Darüber hinaus ist die Batterie eines Elektroautos eine der teuersten Komponenten des Fahrzeugs. Wer garantiert die Lebensdauer der Batterie beim bidirektionalen Laden und was passiert, wenn die Batterie vorzeitig ausgetauscht werden muss? Es ist noch völlig unklar, wer in diesem Fall für die Kosten eines möglicherweise notwendigen vorzeitigen Batteriewechsels aufkommen wird. Ist es der Autohersteller, der Netzbetreiber, der Stromanbieter oder der Fahrzeughalter? Solange diese Unklarheiten nicht beseitigt sind, steht die praktische Umsetzung des bidirektionalen Ladens vor großen Herausforderungen.

• Ein normale intelligente Wallbox ist ausreichend

Viele Elektroautobesitzer sind an bidirektionalem Laden interessiert, weil es wie ein Sicherheitsnetz ist, das sicherstellt, dass sie nicht von Stromausfällen überrascht werden und weniger für Strom bezahlen müssen. 

Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass diese vielversprechende Technologie noch nicht ausgereift ist. Zwar sind bereits einige bidirektionale Ladestationen vorbestellbar (wenn auch noch nicht im Handel), die V2H- und V2G-Fähigkeiten versprechen, doch sind sie mit einem hohen Preis verbunden - einige kosten mehr als 20.000 EUR - was sie für frühe Anwender zu einem kostspieligen Wagnis macht. Und wer weiß, vielleicht werden diese Ladegeräte in einigen Jahren, wenn die Technologie ausgereift ist, als veraltet gelten, weil sie nicht über einige der Funktionen verfügen, die mit der Entwicklung des bidirektionalen Ladens hinzukommen.

Die gute Nachricht ist jedoch, dass mit einer smarten Wallbox, die den Ladestrom steuert, um eine Überlastung des Netzes zu verhindern, viele Funktionen des bidirektionalen Ladens überflüssig werden.

• Klingt in der Theorie profitabler als es in der Praxis ist

Wenn es um bidirektionales Laden geht, reden die meisten Leute über Netzstabilität, ohne zu erwähnen, dass man damit Geld verdienen kann. Am Ende hat man das Gefühl, dass es einen Elefanten in der Mitte des Raumes gibt. Nun ja, theoretisch kann man davon profitieren, wenn man den Strom zurück ins Netz verkauft, wenn er teurer ist. Aber vorher musst du ein teures bidirektionales Ladegerät kaufen und ein Elektroauto auswählen, das diese Art des Ladens auch unterstützt. Außerdem muss die Autobatterie möglicherweise früher ausgetauscht werden. Und das Wichtigste: All dies ist noch nicht möglich, da die für diese Art des Ladens erforderlichen Komponenten noch nicht vollständig entwickelt sind.

Trotz des spannenden Potenzials des bidirektionalen Ladens gibt es aktuell eine einfachere und schnellere Lösung: eine smarte Wallbox mit dynamischem Lastmanagement und flexiblen Stromtarifen wie unsere go-e Charger. 

Der go-e Charger bietet, insbesondere in Verbindung mit dem go-e Controller oder einem anderen kompatiblen Energiemanagementsystem (EMS), zahlreiche praktische Vorteile:

• Zuverlässige Stromversorgung: Der dynamische Lastausgleich sorgt für eine gleichmäßige Stromverteilung und verhindert Stromausfälle.

• Kosteneffizienz: Flexible Stromtarife helfen, die Ladekosten zu senken, indem du dein Auto dann auflädst, wenn der Strom am günstigsten ist.

• Stabilität des Netzes: Lastverschiebung und Spitzenabdeckung tragen zu einem stabileren Netz bei. Außerdem kannst du mit dem go-e Charger und dem go-e Controller oder einem anderen EMS überschüssige Photovoltaik-Ladung nutzen und überschüssige Solarenergie in die Batterie deines Elektrofahrzeugs einspeisen.

• Erhöhter Komfort: Du kannst sowohl den go-e Charger als auch den go-e Controller einfach über eine spezielle App steuern. Darüber hinaus bietet die Kombination automatische Phasenumschaltung, Energieüberwachung und volle Kontrolle über den Stromfluss in deinem Gebäude für ein reibungsloses Ladeerlebnis.

Nun, das Problem, das mit dem bidirektionalen Laden gelöst werden soll, ist der Lastausgleich. Und eine der großen Herausforderungen für das Stromnetz ist derzeit das massenhafte Aufladen von Elektrofahrzeugen, das oft gleichzeitig stattfindet. Viele Menschen kommen von der Arbeit nach Hause und beginnen, ihre Autos aufzuladen. Dadurch wird das Stromnetz stark belastet.

Der Energieverbrauch beim Aufladen eines Elektrofahrzeugs ist höher als der von Waschmaschinen, Klimaanlagen oder anderen Haushaltsgeräten, die die meisten Menschen zu Hause haben.

Intelligente Wallboxen, wie unsere go-e Charger Gemini und Gemini flex, ermöglichen einen statischen Lastausgleich, um die Situation in den Griff zu bekommen. Beim statischen Lastausgleich werden in den Einstellungen deines Ladegeräts vorgegebene Grenzwerte angewendet. Du (oder dein Elektriker) kannst zum Beispiel eine maximale Leistungsaufnahme von 10 kW festlegen. Dies solltest du unbedingt berücksichtigen, wenn du mit mehreren Ladestationen gleichzeitig lädst. Auf diese Weise gleichst du die Last aus und versuchst, nicht mehr zu verbrauchen, als das Netz auf einmal bieten kann.

Aber die wahre Magie geschieht, wenn du den go-e Charger mit dem go-e Controller oder einem anderen kompatiblen Energiemanagementsystem zusammenschließt.

Der go-e Controller verwaltet automatisch die Ladeleistung der angeschlossenen go-e Charger und passt sie in Echtzeit an die aktuelle elektrische Last an. Mit dem dynamischen Lastausgleich kann das System bei einem plötzlichen Anstieg des Strombedarfs in deinem Haus, z. B. beim Einschalten mehrerer Geräte oder einer elektrischen Heizung, die Ladeleistung vorübergehend reduzieren, um sicherzustellen, dass das Stromnetz deines Hauses stabil bleibt und nicht überlastet wird. Sobald die Nachfragespitze verringert ist, kann die Ladeleistung automatisch wieder erhöht werden.

Eine weitere Lösung ist die Lastverschiebung. Das bedeutet, dass du den Ladevorgang für Zeiten planst, in denen die Stromnachfrage gering ist - normalerweise nachts.