Das Auto lernt zählen: Mobile Metering

Im Projekt „On-Board-Metering“ entwickeln der Leitstellenspezialist ITF-EDV Fröschl, Voltaris, die Physikalisch-Technische Bundesanstalt und Ubitricity das von Ubitricity konzipierte mobile Zähl- und Messpunktsystem. Das Projekt wird durch das BMWi gefördert.

Einfache Steckdosen sind keine tragfähige Perspektive für eine flächendeckende Infrastruktur zur Ladung von E-Fahrzeugen. Elektrizität wird nicht massenhaft und flächendeckend verschenkt werden. Andere Ansätze wären kommerziell, wettbewerblich, rechtlich und auch umweltpolitisch fragwürdig. Deswegen muss zu Abrechnungszwecken gemessen werden – und zwar überall dort, wo Elektrizität aus dem Netz entnommen wird.

Herausforderung: Infrastruktur

Dass überall gemessen beziehungsweise „gezählt“ werden muss, bedeutet nicht, dass überall Stromzähler, Kommunikationstechnik, etc. installiert werden müssen. Es muss „nur“ für die Dauer der Messaufgabe, also der Beladung, ein Zähler vorhanden sein. Ein Lösungsansatz hierfür besteht darin, den Elektrizitätszähler mitzubringen, zum Beispiel als On-Board-Meter, das Bestandteil der Fahrzeugelektronik wird.

Kompakte Installationen ohne stationäre Zähler Ubitricity

Mobile Messdatenerfassung im E-Fahrzeug hat das Potenzial, die Kosten eines Mess- und Abrechnungssystems einer Ladeinfrastruktur, die elektrische Energie zuhause und unterwegs bereitstellt, sehr deutlich zu senken. Für die Nutzer der Ladeinfrastruktur ist das wesentlich, weil sie die Kosten der Infrastrukturdienstleistungen tragen müssen. Die Effizienzvorteile rechtfertigen den Einbau zusätzlicher Technik im Fahrzeug.

Dies gilt in ähnlicher Weise wie bei Mobiltelefonen, die eine WLAN-Schnittstelle haben: Dadurch erhöht sich zwar der Preis des Telefons, aber der Netzzugriff verbessert sich und die Kosten für den mobilen Datenverkehr (pro Volumen) sinken – bei höherer Geschwindigkeit und insgesamt besserer Verfügbarkeit. Die Anschaffung stationärer Zähl-, Kommunikations- und Sicherheitstechnik für sogenannte Wallboxes/Ladesäulen verursacht erhebliche Kosten. Zusätzlich entstehen beim Betrieb dauerhaft laufende Kosten für den Messstellenbetrieb und die Messdienstleistung – und zwar an jedem einzelnen Zählpunkt. Die flächendeckend notwendige Einführung einer Infrastruktur für E-Fahrzeuge würde dadurch signifikant verteuert.

Was ist Mobile Metering?

Mobile Messdatenerfassung im Fahrzeug („On-Board-Metering“ oder „Mobile Metering“) erleichtert den schnellen Aufbau einer flächendeckenden Infrastruktur. Jeder Teilnehmer benötigt in diesem Konzept für die Messung und Abrechnung der geladenen elektrischen Energie nur noch einen mobilen Zähler, während die stationäre Zähltechnik an den korrespondierenden Anschlussstellen im System vollständig entfallen kann: Das Auto lernt zählen, und das senkt die Komplexität der Infrastruktur, so dass die Unternehmen die Tankstromlieferung sowie Netzdienstleistungen komfortabel und kostengünstig erbringen können.

Herausforderung: InfrastrukturElektrofahrzeuge werden künftig nicht nur in der Mobilität, sondern auch bei der Energieversorgung und Energieverteilung eine zentrale Rolle spielen. Angesichts der (batteriebedingt) begrenzten Reichweiten der neuen Fahrzeuge setzt die Einführung ganz oder teilweise elektrisch angetriebener Fahrzeuge den Aufbau einer neuen, flächendeckenden Infrastruktur zum Beladen der Fahrzeuge voraus. Die Infrastrukturaufgabe hat nicht nur eine technische Dimension. Auch wirtschaftliche, rechtliche und wettbewerbliche Aspekte spielen eine Rolle.

Ubitricity

Damit E-Fahrzeuge zu einer attraktiven und bezahlbaren Alternative für Autofahrer werden, bedarf es parallel zu der Infrastruktureinführung auch neuer und bezahlbarer Infrastrukturdienstleistungen. Es kommt nicht nur darauf an, dass man auf Mitarbeiterparkplätzen am Arbeitsplatz laden kann, sondern auch darauf, was der „Strom“ dort bei der Arbeit kostet. An die Infrastruktur (und korrespondierende Dienstleistungen) werden verschiedene Anforderungen gestellt. Sie muss nicht nur effizient und bezahlbar sein, sondern Laden auch einfach und komfortabel erlauben. Ebenso müssen Messung und Abrechnung der geladenen elektrischen Energie sicher, zuverlässig und unter Einhaltung rechtlicher Anforderungen (zum Beispiel des Eichrechts) erfolgen.

Elektroautonutzer benötigen eine Infrastruktur, in der sie möglichst überall dort ihr Fahrzeug beladen können, wo sie sich ohnehin längere Zeit aufhalten. Es empfiehlt sich, längere Standzeiten des Fahrzeugs zum Laden sowie für eine smarte Netzintegration der Fahrzeuge zu nutzen – vor allem zu Hause, am Arbeitsplatz, bei längeren Einkäufen etc. Gegenüber Ladungen an zentralen Ladestationen ergibt sich so eine Reihe von Vorteilen: „Strom-Tanken“ an Schnellladestationen kann bei ohnehin geladenem Akku entfallen beziehungsweise auf seltene Fälle begrenzt werden. Wer bei der Arbeit lädt, braucht auf dem Weg nach Hause nicht schnell zu laden. Für die Nutzer der E-Fahrzeuge bedeuten flächendeckend vorhandene Lademöglichkeiten eine kürzere „Tankzeit“ und größere Fahrzeugverfügbarkeit. Ein Netzanschluss parkender E-Fahrzeuge erlaubt zudem mehr Komfort, wie beispielsweise den Betrieb einer Standheizung.

Ubitricity

Vorteilhaft ist rechtzeitiges Nachladen auch in Bezug auf die Degradation der Akkus, die im Allgemeinen mit der Entladetiefe stark ansteigt. Wird ein Fahrzeug häufiger angeschlossen und geladen, weil mehr Anschlussmöglichkeiten zur Verfügung stehen, sinkt die zu erwartende Entladetiefe, so dass unter Umständen auch kleinere Akkus sinnvoll werden. Auch dieser Aspekt sollte bei der Betrachtung des Gesamtsystems mit einfließen. Ob das Laden nur zu Hause oder zusätzlich regelmäßig auch bei der Arbeit erfolgt, ist für die Auslegung eines Akkus sicher erheblich.

Eine zukunftssichere Infrastruktur sollte es auch ermöglichen, das Potenzial der neuen Fahrzeuge als unterbrechbare oder regelbare Verbraucher im Rahmen der Netzintegration von Energieerzeugungskapazitäten aus Wind und Sonne bieten zu nutzen.

Mobile Metering ermöglicht einerseits eine dichtere Infrastruktur, weil zusätzliche Anschlussmöglichkeiten zu vergleichsweise geringen Kosten geschaffen werden können, da insbesondere laufende Kosten weitgehend entfallen. Außerdem verbessert sich das Verhältnis von spezifischem Infrastrukturaufwand in punkto Messdatenerfassung, Kommunikation und Sicherheit für grundsätzlich wertvolle Aufgaben im Stromnetz in signifikantem Umfang. Gleichzeitig verändern sich die kommerziellen Randbedingungen für Geschäftsmodelle rund um Smart-Grid-Dienstleistungen maßgeblich. Mit speziellen Tarifen für Fahrzeuge, die für ein geregeltes Laden ausgelegt sind, erzielen die Stromlieferanten früher wirtschaftliche Ergebnisse.

Insgesamt besteht die Möglichkeit, die für den Verbraucher maßgeblichen Gesamtkosten für den Betrieb von E-Fahrzeugen und Infrastruktur deutlich zu senken.

Projekt:On-Board-Metering

In dem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projekt „On-Board-Metering“ entwickelt Ubitricity mit seinen Partnern ITF-EDV Fröschl, Voltaris sowie der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Berlin ein mobiles Mess- und Abrechnungssystem für Tankstrom. Die Verbrauchsmessung erfolgt mobil („Mobile Metering“), wobei sich der mobile Zähler vorzugsweise in dem E-Fahrzeug befindet (On-Board-Metering). E-Fahrzeug und Leitstelle kommunizieren bidirektional über Mobilfunk zur Prüfung der Ladeberechtigung und Übertragung der Messdaten. Dabei wird es von besonderer Bedeutung sein, wie die effiziente Verknüpfung dieser Funktionen im Fahrzeug mit bereits vorhandener oder in Entwicklung befindlicher Technik erfolgt.

Während Ubitricity in dem Projekt für die Weiterentwicklung und Vermarktung energiewirtschaftlicher Dienstleistungen für den Zukunftsmarkt „Tankstrom“ zuständig ist, konzentriert sich ITV-EDV Fröschl mit Softwarelösungen mehr auf den Bereich der intelligenten und nachhaltigen Energiedatenerfassung. Voltaris wiederum setzt den Fokus auf Lösungen im Energiedatenmanagement, den Betrieb von Messstellen und Smart Metering, bringt aber auch sein Wissen als staatlich anerkannte Prüfstelle für die Eichung von Elektrizitätszählern, Wandlern und Zusatzeinrichtungen ein. In dem am Projekt beteiligten Fachbereich „Metrologische Informationstechnik“ der PTB liegt der Schwerpunkt der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf Anforderungen und Verfahren für Software, Messdatenübertragungen und -sicherheit im Zusammenhang mit dem Einsatz von IT-Komponenten in Messsystemen.

Bidirektionale Kommunikation über das Mobilfunk-Netz. Ubitricity

Der auch im On-Board-Metering-System unverzichtbare stationäre Teil der Infrastruktur, an den die E-Fahrzeuge angeschlossen werden können, besteht aus speziellen identifizier- und schaltbaren Steckdosen, den Systemsteckdosen. Der mobile Zähler und die Systemsteckdosen tauschen während der Anschlussdauer wechselseitig Informationen aus. Bei Beginn des Ladevorgangs erfolgt eine Identifikation der an dem Ladevorgang beteiligten Systemkomponenten. Anschließend erfolgt die Freischaltung der Systemsteckdose. Während des Ladevorgangs erfasst das System alle Informationen, die für eine sichere Abrechnung notwendig sind. Für den Fall, dass keine Online-Verbindung besteht, ermöglicht die Ladestation dennoch das Laden innerhalb bestimmter zusätzlicher Restriktionen. Sobald wieder eine Online-Verbindung besteht, erfolgt die Übertragung der Messdaten an die Leitstelle.

Besondere Anforderungen an Kommunikation und Ladeinfrastruktur

Mobile Metering setzt zulässige und sichere Verfahren voraus, die im Hinblick auf den Abrechnungszweck der Messung auch speziellen rechtlichen Anforderungen genügen müssen. Im Rahmen des Projektes kommen daher bewährte Systeme und Verfahren zum Einsatz, und wenn es erforderlich ist, entwickeln die Projektteilnehmer diese für die besonderen Anforderungen weiter. Dabei handelt es sich insbesondere um Verfahren zur sicheren Authentifizierung der Systemteilnehmer beziehungsweise Systemkomponenten für den Einsatz im öffentlichen und privaten Umfeld sowie um eichrechtskonforme Elektrizitätszählung und Zählwertübertragung für den Einsatz im geschäftlichen Verkehr. Des Weiteren kommen Verfahren für den sicheren Nachweis des Ladevorgangs (Log-Systeme) und Sicherheitsmaßnahmen gegen unberechtigte Energieentnahme zum Einsatz.

Weiterhin erfolgt eine marktkonforme Datenaufbereitung zur Abrechnung des jeweils bezogenen Tankstroms, wobei Anforderungen aus Datenschutz- und Verbraucherschutzrecht eine wesentliche Bedeutung zukommen. Entscheidend für die Sicherheit des Gesamtsystems sind Sicherheitsdienste mit Signaturverfahren für die Authentifizierung der Systemteilnehmer beziehungsweise Systemkomponenten sowie die Übertragung der Messdaten. Um im geschäftlichen Verkehr Elektrizität abrechnen zu dürfen, muss die Elektrizitätsmessung und Kommunikation auch dem Eichrecht genügen.

Bei der Entwicklung knüpft das Projekt nach Möglichkeit an bewährte Standardtechnik beziehungsweise Standardverfahren wie Zählerfernauslesung, Energiedatenmanagement und Kommunikationstechnik an, um die im Projekt entwickelten Prozesse künftig in die energiewirtschaftliche Systemumgebung integrieren zu können.

Flächendeckende Anschlüsse für smarte Dienste Ubitricity

Dabei gewährleistet das System die Kompatibilität zu anderen Ansätzen. Nutzer von E-Fahrzeugen, die technisch für On-Board-Metering ausgestattet sind, sollen ihr E-Fahrzeug nicht nur an den im Rahmen dieses Konzepts entwickelten Systemsteckdosen sondern auch an Ladesäulen anderer Anbieter aufladen können – und zwar bei voller Funktionalität vom Laden über das Messen bis zu Smart-Grid-Dienstleistungen. Die zusätzliche Technik im Fahrzeug ist so spezifiziert, dass sie den Zugriff auf zusätzliche Lademöglichkeiten eröffnet. Erkenntnisse aus anderen Projekten (offene Standards, Schnittstellen etc.) fließen nach Möglichkeit in das Projekt ein.

Netzintegration und Netzdienstleistungen

Im Rahmen des Systembetriebs erfolgt nicht nur die Messung zu Abrechnungszwecken, sondern es findet auch eine bidirektionale Kommunikation zwischen Leitstelle und Fahrzeugen statt. Aus diesem Grund bietet das System für ein geregeltes Beladen der Fahrzeuge (unter Berücksichtigung von Angebot und Nachfrage im Stromnetz) eine gute Ausgangsposition. Das gilt auch für die Entwicklung von Diensten, in denen der Mehrwert etwaiger Beiträge zur Netzstabilität gemessen, kommerzialisiert und über entsprechende Tarife an die Nutzer von E-Fahrzeugen weitergegeben werden kann.

Ubitricity

On-Board-Metering kann künftig auch einen wichtigen Beitrag zur besseren Netzintegration der neuen Verbraucher und der fluktuierenden Einspeisung Erneuerbarer Energie leisten: Smart-Grid-Dienstleistungen setzen einen Netzanschluss des E-Fahrzeugs offensichtlich voraus. Je länger und häufiger ein Fahrzeug sich während des Parkens am Stromnetz befindet, desto mehr Potenzial hat die Regelung dieses Verbrauchers technisch und wirtschaftlich im Netz.

On-Board-Metering vereinfacht die Schaffung zusätzlicher Anschlussstellen zu geringeren Kosten, so dass der „smarte“ Netzanschluss flächendeckend machbar wird. Wirtschaftliche Potenziale, die künftig in einem verteilten System aus regelbaren Verbrauchern zum Beispiel in der Bereitstellung von positiver oder vor allem negativer Reserveleistung liegen können, sollten nicht durch Infrastrukturkosten aufgezehrt werden.

Zusammenfassung

Mobile Metering ermöglicht im Vergleich zu klassischen Ladesäulen eine Infrastruktur, in der wesentliche Bestandteile wie insbesondere der Stromzähler nicht mehr an jeder Lademöglichkeit installiert und betrieben werden müssen. Das Auto zählt selbst. In diesem System sinken die Kosten der Installation sowie des Betriebs zusätzlicher Lademöglichkeiten und damit auch die Kosten korrespondierender Infrastrukturdienstleistungen.

Das kann den wirtschaftlichen Aufbau eines flächendeckenden Netzes von Lademöglichkeiten für E-Fahrzeuge erheblich vereinfachen. Ein einmalig im E-Fahrzeug integrierter Zähler macht weitere Zählpunkte für dieses Fahrzeug entbehrlich, so dass die Anschaffungs- und Betriebskosten für die Ladeinfrastruktur insgesamt erheblich sinken, und der Autofahrer zahlt weniger. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, attraktive Infrastrukturdienstleistungen zu realisieren. Hinzu kommt, dass die Abhängigkeit der Automobilindustrie von regionalen Unterschieden in der Versorgungslandschaft sinkt, wenn die Fahrzeugelektronik wesentliche Bestandteile der Infrastrukturaufgabe abdeckt. Wenn die Technik erst einmal im Fahrzeug installiert ist, dann kann das Fahrzeug überall „Strom tanken“, wo es Systemsteckdosen gibt.

Die einfach zu installierenden Systemsteckdosen ermöglichen den nötigen Ausbau von flexiblen Lademöglichkeiten und tragen zur Mobilität der Nutzer bei.

(av)