I Spy Science: Ist meine Elektroladestation sicher?

Ich bin der Daniel Herbst und ich arbeite am Institut für elektrische Anlagen und Netze unter anderem daran, uns alle vor den Gefahren des elektrischen Stromes zu schützen.

Uns allen ist hoffentlich der Umweltschutz ein immer wichtigeres Thema. Und wir möchten auch etwas dafür tun. Zum Beispiel versuchen wir immer mehr Bereiche unseres alltäglichen Lebens auf Strom umzustellen. Beispielsweise Elektrofahrzeuge bzw. E-Autos statt den klassischen Verbrennern, also einen mit Benzin oder Diesel als Treibstoff. Oder aber auch Wärmepumpen statt Ölheizungen für die Raumwärme in unseren vier Wänden. Das sind sehr begrüßenswerte Entwicklungen, stellen uns Elektrotechniker*innen aber auch vor Herausforderungen. Je mehr Dinge mit Strom betrieben werden, desto mehr Strom brauchen wir. Das ist logisch. Aber auch unsere Stromnetze müssen darauf ausgelegt sein. Sie funktionieren nur, wenn immer genauso viel Strom eingespeist wird, wie verbraucht wird. Zusätzlich dürfen die Leitungen in unseren Netzen auch nicht überbeansprucht, also nicht überlastet werden.

Ladestationen und Stromnetze

Schauen wir uns das Thema Elektrofahrzeuge ein bisschen genauer an: Wenn ich ein E-Auto besitze, dann muss ich das auch irgendwie aufladen. Bei einem eigenen Abstellplatz auf meinem Grundstück oder in einer Garage bietet sich das natürlich entsprechend an, dort eine Ladestation zu installieren. Wenn nur ich allein eine Ladestation betreibe, ist das kein Problem für das Stromnetz. Wenn das aber alle meine Nachbarn machen, dann ist mit Auswirkungen zu rechnen. Typischerweise würden wir unsere Autos irgendwie über Nacht laden, damit sie in der Früh fertig aufgeladen sind und für den nächsten Tag bereit. Vor allem in den Abendstunden, wenn auch noch unsere Fernsehgeräte, Waschmaschinen und andere elektrische Verbraucher betrieben werden, wird der Verbrauch hoch sein. Das wiederum kann das lokale Stromnetz überlasten und könnte möglicherweise zum Stromausfall führen.

Deshalb arbeiten die weltweiten Forschungscommunities zum Beispiel an intelligenten Systemen, die unser Verhalten lernen und Fahrzeuge auch entsprechend zeitversetzt voneinander laden. Trotzdem sollten aber zur gewünschten Abfahrtszeit in der Früh alle Fahrzeuge vollgeladen sein, aber eben nicht alle gleichzeitig das Netz belasten.

Autos als Zwischenspeicher

E-Autos könnten zukünftig aber auch als Zwischenspeicher eingesetzt werden. Sie speichern dann überschüssigen Strom zum Beispiel, zum Beispiel aus der PV-Anlage, wenn gerade einmal besonders viel Sonne scheint, und könnten diesen dann wieder über die Ladestation an den Haushalt abgeben, wenn er gebraucht wird. Das Prinzip nennt man dann zum Beispiel Vehicle-to-Home. Und das kann auch unsere Stromnetze zusätzlich entlasten.

Laden im Regen

Auf der anderen Seite sind solche Ladestationen typischerweise im Freien aufgestellt. Private Ladestationen genauso wie öffentliche. Dort wiederum müssen Niederschlag, Sonne, Wind, sonstige Umwelteinflüsse aushalten und trotzdem zuverlässig und vor allem sicher sein. Wir wollen ja auch nicht im Regen einen Stromschlag kriegen, wenn das Auto gerade an der Ladestation angesteckt ist. Genauso wie unsere Hausinstallation nach einem elektrischen Schutzkonzept errichtet ist, sind das auch Ladestationen. Das Schutzkonzept besteht unter anderem aus Schutzvorkehrungen zum Schutz gegen elektrischen Schlag, wie zum Beispiel Isolierungen, Sicherungen oder Fehlerstromschutzschalter, den sogenannten FIs. Tritt jetzt zum Beispiel ein Fehler auf, also wenn beispielsweise Wasser in die Ladestation oder in den Stecker eindringt und einen Kurzen verursacht, dann sollte der Stromkreis automatisch abgeschalten werden.

Aber natürlich ist das nicht so einfach. Im Hintergrund müssen, damit wir alle unsere Sicherheitsanforderungen erfüllen können, die Schutzvorkehrungen von der Hausinstallation und von der Ladestation richtig funktionieren und aufeinander abgestimmt sein. Darunter fallen zum Beispiel Schutzeinrichtungen der Ladestation oder des Erdungs- und des Potenzialausgleichssystem, aber auch beispielsweise die Software der Ladestation.

Regelmäßige Prüfungen

Damit wir wissen, dass alles sicher und zuverlässig sicher bleibt, sollten wir das Schutzkonzept regelmäßig überprüfen. Denn auch da gilt, Vertrauen ist gut, aber Kontrolle ist wirklich besser. Für solche Überprüfung von Ladestationen brauchen wir entsprechendes Fachwissen auf der einen Seite, auf der anderen Seite, aber auch Prüfgeräte und entsprechende Prüfadapter. Wenn alles vorhanden ist, können wir eine Ladestation auf deren Sicherheit in regelmäßigen Abständen überprüfen. Wir bezeichnen das als die sogenannte wiederkehrende Prüfung.

Das hier ist zum Beispiel so ein Prüfadapter. Wir stecken den einfach in die Typ-2-Steckdose der Ladestation an und können dann mit einem Schutzmaßnahmen-Prüfgerät, überprüfen. Jetzt muss ich noch die Ladestation entsprechend freischalten. Dann macht es einmal Klick und mit diesem Schutzmaßnahmenprüfgerät können wir dann die Ladestation wiederkehrend überprüfen durch verschiedenste Prüfungen. Also sei es Auslösung vom Fehlerstromschutzschalter oder aber auch Schleifenimpedanz und so weiter.

Gleichstrom-Ladestationen

Durch immer größere Batteriekapazitäten erreichen Elektrofahrzeuge immer höhere Reichweiten. Es gilt, umso höher die Batteriekapazität, desto länger die Ladezeit bei gleicher Ladeleistung. Damit das Fahrzeug nicht stundenlang an der Ladestation hängen muss, erhöhen wir die Ladeleistung. Dafür bieten sie Gleichstrom-Ladestationen an. Denn mit Gleichstrom kann man die Batterie direkt und entsprechend effizienter laden. Gleichstromlade-Stationen sind auch ein bisschen seltener. Wie man erkennen kann, sind aufgrund der höheren Ladeleistung auch die Stecker entsprechend größer. Es gibt für sich zwar schon bereits erste entsprechende Prüfadapter, wo man dann die Gleichstrom-LadeStation anstecken kann, aber wie genau so eine Prüfung ordnungsgemäß durchzuführen ist, erfordert noch entsprechend Forschung und Entwicklung. Daran arbeiten wir am Institut gerade. Im Zuge unseres Forschungsprojekts ProSafe² haben wir gemeinsam mit unseren Projektpartnern Prüfabläufe und Testcases entwickelt, um eben auch Gleichstrom-Ladestationen wiederkehrend prüfen zu können.

Zusätzlich dazu haben wir auch gemeinsam mit unseren Partnern einen Prüfgerätedemonstrator entwickelt, um unterschiedliche Ladestationen unserer Partner im Feld überprüfen zu können. Die Ergebnisse aus diesen Prüfungen von unterschiedlichen Ladestationen fließen in weiterer Folge noch in eine Richtlinie des Österreichischen Verbands für Elektrotechnik, kurz OVE, ein. Diese Richtlinie beinhaltet zukünftig den empfohlenen Umfang und die Intervalle für eine wiederkehrende Prüfung von Wechselstrom- und eben Gleichstrom-Ladestationen. Damit wird eine einheitliche Basis für die wiederkehrende Prüfung von Ladestationen geschaffen und der prüfende Elektriker bzw. die Elektrikerin in Form einer Art Leitfaden unterstützt.

Also zur Frage vom Anfang zurück, ob meine Ladestation jetzt sicher ist. Wenn alles korrekt installiert und regelmäßig überprüft wird, also einer wiederkehrenden Prüfung unterzogen wird, erhöht es die Sicherheit der Ladestation langfristig. Damit wird das geringe Restrisiko für den Benutzer oder die Benutzerin noch weiter reduziert und das Elektrofahrzeug kann sicher geladen werden.