Mehrfamilienhaus: Lastmanagement hilft

Kosteneffiziente Ladelösungen für ein Mehrfamilienhaus und eine Reduzierung der Installationskosten durch den Einsatz von Lastmanagement.
Dieses Dokument ist für den US-amerikanischen Markt geschrieben und bezieht sich auf das US-amerikanische Stromsystem und die amerikanische Nomenklatur. Es enthält allgemeine Informationen über das Laden von Elektrofahrzeugen im Mehrfamilienhaus. Jede spezifische Installation sollte von einem zertifizierten Elektroplaner geplant werden und alle lokalen und bundesstaatlichen Vorschriften erfüllen. Installationen sollten immer von lizenzierten Elektrikern durchgeführt werden. 

Eine Ausweitung des Ladens von Elektroautos auf das Mehrfamilienhaus ist dringend erforderlich. Laut dem National Multifamily Housing Councilgibt es in den Vereinigten Staaten über 43 Millionen Mieter. Davon leben über 15 Millionen in Wohnungen. Da Elektrofahrzeuge immer beliebter werden, wollen viele von ihnen die Möglichkeit haben, ihr Fahrzeug in einem Mehrfamilienhaus aufzuladen.

Eine der größten Hürden für den Besitz eines E-Autos kann das Fehlen einer Ladeinfrastruktur sein. Viele Vermieter oder Wohnungseigentümergemeinschaften, die Gebäude- und Grundstücksverbesserungen verwalten, sind sich der Notwendigkeit von Ladestationen für E-Fahrzeuge in Mehrfamilienhäusern und der Tatsache bewusst, dass dies eine gute Investition sein kann. Allerdings kann die Installation und der Betrieb von Ladestationen in einem Mehrfamilienhaus aufgrund der fehlenden elektrischen Infrastruktur am Stellplatz sehr komplex und teuer sein.

Dieser Artikel befasst sich mit den Grundlagen des Ladens von E-Fahrzeugen in einem Mehrfamilienhaus und zeigt Lösungen auf, die zur Senkung der Installationskosten und zur Skalierung der Installationen beitragen können.

Laden mit Stufe 1 im Vergleich zu Stufe 2

Eine Wallbox der Stufe 1 verwendet Standard-US-Haushaltssteckdosen (120 V) und wird in der Regel mit dem Auto geliefert. Sie ist extrem langsam und bietet in der Regel nur eine Ladeleistung von 1,2 kW (5 Kilometer pro Stunde).

Eine Wallbox der Stufe 2 verwendet eine 240-V-Stromquelle und hat einen eigenen Stromkreis. Sie hat einen Durchsatz zwischen 32 und 80 Ampere und ermöglichen eine wesentlich schnellere Aufladung:  

Stufe Leistung km/Std. Volle Ladung
Stufe 1 1,2 kW 5 km/Std. 42 Std.
Stufe 2 32 A 7,6 kW 48 km/Std. 7 Std.
Stufe 2 40 A 9,6 kW 61 km/Std. 5,5 Std.
Stufe 2 80 A 19 kW 120 km/Std. 3 Std.

Wie viel muss täglich geladen werden?

Daten der Federal Highway Administration zeigen, dass der Durchschnittsamerikaner 22.954 Kilometer pro Jahr fährt. Das sind im Durchschnitt nur etwa 64 Kilometer pro Tag.

Es ist klar, dass eine Wallbox der Stufe 1 für den täglichen Ladebedarf eines durchschnittlichen amerikanischen Autofahrers nicht ausreichen würde, da das Laden täglich über 13 Stunden dauern würde. Noch schlimmer ist, dass es nach einer langen Fahrt, wenn die Batterie leer ist, es fast zwei Tage dauern würde, um sie wieder aufzuladen, da das durchschnittliche Elektrofahrzeug auf dem Markt heute eine Batteriekapazität von 43 kWh hat.

Eine 40 A-Wallbox der Stufe 2 wäre für die meisten Fahrer perfekt geeignet. Das tägliche Aufladen würde etwa eine Stunde dauern, und selbst nach einer langen Fahrt kann die Autobatterie in etwa 5 Stunden wieder vollständig aufgeladen werden. 

Ist das Netz für Ladestationen der Stufe 2 ausgelegt?

Die Kapazität der von den Stromversorgern an US-Häuser gelieferten Elektrizität wird in Ampere gemessen. Die meisten US-Haushalte haben eine Stromzufuhr von 100 bis 200 Ampere. Es ist jedoch möglich, die Leistung auf bis zu 400 A zu erhöhen. 

Mit der Einführung von Elektrofahrzeugen ist es nicht ungewöhnlich, dass viele Immobilien eine Erweiterung ihrer Stromversorgungskapazität benötigen. Eine typische Wallbox der Stufe 2 hat eine Nennleistung von 32-80 Ampere, und eine kleine Stromleitung würde für den Anschluss nicht ausreichen.

Dies ist vor allem in einem Mehrfamilienhaus oder an einem Einkaufszentrum wichtig, wo meistens mehr als eine Wallbox zu finden ist. Ein Mehrfamilienhaus mit 10 Ladestationen bräuchte beispielsweise eine Anschlussleistung von mindestens 400 A nur für die Ladestationen.

Der Ausbau von Stromanschlüssen ist teuer

Nach Angaben von Fixerkönnen die Kosten für die Aufrüstung des Anschlusses auf 300 A bis zu 3.500 $ betragen, während die Aufrüstung auf 400 A 10.000 $ oder sogar mehr kostet. Der Hauptgrund für den Kostensprung ist, dass bei höheren Stromstärken der Zählersockel und die Verkabelung des Versorgungsunternehmens aufgerüstet werden müssen. Wenn das Grundstück mehr als 30 Meter von der Straße entfernt ist, können die Kosten wesentlich höher ausfallen.

Kosten der Kapazitätserweiterung in einem Mehrfamilienhaus

Festverdrahtete oder steckerfertige Wallbox ?

Eine Wallbox der Stufe 2 kann direkt mit dem Stromnetz verdrahtet oder über eine Wechselstromsteckdose angeschlossen werden. Jede Methode hat ihre Vor- und Nachteile:

Festverdrahtete Wallbox Steckerfertige Wallbox
Vorteile
  • Unterstützt Wallbox mit höherer Stromstärke (bis zu 80 A)
  • Kostengünstigere Installation (die Kosten für die Steckdose und den Stecker entfallen).
  • Keine Notwendigkeit für GFCI-Unterbrecher wenn die Wallbox über einen eingebauten GFCI-Schutz verfügt
  • Flexibel. Wallbox kann leicht ausgetauscht / aufgerüstet / repariert werden.
Nachteile
  •  Für den Austausch oder die Reparatur der Wallbox ist ein Elektriker erforderlich.
  • Begrenzt auf 40 A. 
  • Die Installation ist etwas teurer.
  • Braucht einen GFCI-Unterbrecher

Welcher Stecker sollte verwendet werden?

Der gebräuchlichste Stecker für eine Wallbox der Stufe 2 ist entweder der unten abgebildete NEMA 14-50 oder der NEMA 6-50:

Der gebräuchlichste Stecker für eine Wallbox der Stufe 2 ist entweder der NEMA 14-50 oder der NEMA 6-50

Beide sind für maximal 50 A ausgelegt und haben die gleiche Ladegeschwindigkeit, aber die NEMA 6-50-Steckdose ist billiger und die Kosten für die Verkabelung sind etwa 60% geringer.

Welche Leitung sollte verwendet werden? 

Elektroleitungen werden in der Stärke (AWG) gemessen. Es ist nicht intuitiv, dass das Kabel umso dicker ist, je kleiner der Querschnitt ist. Der Kabelquerschnitt hängt vom maximalen Strom ab, der durch das Kabel fließt, sowie vom Kabelmaterial (Kupfer oder Aluminium), der Kabeltemperatur, der Kabellänge und dem maximal zulässigen Spannungsabfall. Nachfolgend finden Sie den Kabelquerschnitt auf der Grundlage des am häufigsten verwendeten Kupferkabels:

Stromstärke AWG mm2
95A 2 33.61
85A 3 26.55
70A 4 21.14
55A 6 13.29
40A 8 8.36
30A 10 5.26
20A 12 3.31
15A 14 1.65

Herkömmliche Installationen

Die Installation von Ladestationen für Elektrofahrzeuge in einem Mehrfamilienhaus kann sehr kostspielig sein. Herkömmliche Installationsmethoden verwenden eine Sterntopologie, bei der jede Wallbox an die Schalttafel angeschlossen wird. Das Bild unten zeigt ein Beispiel für fünf 40-A-Ladestationen, die an aufeinanderfolgenden Parkplätzen installiert sind. Das würde über 180 Meter Kabel und 5 zweipolige Unterbrecher an der Haupttafel erfordern.

Herkömmliche Installationen - die größten Probleme

Die größten Probleme an dieser Installation sind:

  • Die Hauptschalttafel würde wahrscheinlich nicht in der Lage sein, 5x50 A = 250 A zu unterstützen. Eine Erhöhung der Schaltschrankkapazität wäre sehr teuer.
  • In der Hauptschalttafel ist möglicherweise nicht genug Platz für 5 neue zweipolige Unterbrecher. In diesem Fall müsste der Installateur eine neue kostspielige Schalttafel installieren. 
  • Es wird eine Menge teurer Kabel benötigt. Der oben gezeigte Fall erforderte über 180 Meter Kabel der AWG-Klasse 6. 

Strang-Architektur 

Eine kostengünstigere Alternative ist die Verwendung der Strang-Architektur, bei der mehrere Ladestationen an ein dickeres Kabel angeschlossen werden, das mehr Leistung übertragen kann. Das nachstehende Beispiel zeigt die gleichen fünf 40-A-Ladestationen, die zu einem Strang verbunden sind.

Strang-Architektur - eine kostengünstigere Alternative, die Lastmanagement nutzt

In diesem Fall benötigt die Hauptschalttafel nur einen zweipoligen Unterbrecher von 80 A und das Kabel des Strangs ist AWG-Klasse 3, das diese 80 A aushalten kann. Die Vorteile dieser Architektur sind:

  • Der Hauptschalttafel wurden nur 80 A hinzugefügt. Viele Schalttafeln sind in der Lage, diesen Zusatz ohne Kapazitätserhöhung zu tragen.  
  • Der Schalttafel wurde nur ein zweipoliger Unterbrecher hinzugefügt. Die meisten Schalttafeln haben einen zusätzlichen Platz dafür.  
  • Es werden nur 67 Meter Kabel benötigt (etwa ⅓ im Vergleich zur Standardmethode). Dieser geringere Materialaufwand ist beträchtlich, der eigentliche Vorteil liegt jedoch in der Verringerung des Arbeitsaufwands der Elektriker, der häufig nach der installierten Kabellänge berechnet wird. 

Energiemanagement und Lastmanagement

Die Strang-Architektur nutzt eine Energiemanagement-Plattform, um die Leistung der verschiedenen Ladestationen so zu verwalten, dass der 80-A-Unterbrecher nie überlastet wird. Die Plattform von Wevo Energy kennt die lokale Standorttopologie, einschließlich aller Schalttafeln und Unterbrechergrenzen. Sie steuert dann die Stromversorgung der Ladestationen entsprechend dieser Grenzen:

  • Wenn nur ein Auto im Strang geladen wird, erhält es die vollen 40 A, die die Wallbox liefern kann.
  • Wenn zwei Autos innerhalb des Strangs geladen werden, erhält jedes 40 A und der Bus liefert 80 A, was immer noch innerhalb der Grenzen des Unterbrechers liegt.
  • Wenn drei oder mehr Fahrzeuge innerhalb des Strangs geladen werden, teilen sie sich die 80 A untereinander auf. 

So sieht die nächste Stufe aus

Das Lastmanagement von Wevo Energy unterstützt jede elektrische Hierarchie, einschließlich Schalttafeln, Unterschalttafeln und Stränge, und kann die Last effektiv verwalten. Das folgende Beispiel zeigt eine 250 A-Schalttafel mit vier Strängen zu je 80 A. Das System ist intelligent genug, um die Last sowohl innerhalb der Stränge als auch innerhalb der Schalttafel auszugleichen, so dass die 250 A-Grenze nicht überschritten wird.

Eine 250-A-Schalttafel mit vier Strängen zu je 80 A mit Lastmanagement

Zusammenfassung

Immer mehr Autofahrer entscheiden sich für ein Elektroauto, sodass die Nachfrage nach Ladestationen für Elektroautos in Mehrfamilienhäusern steigt. Eine Wallbox der Stufe 2 ist die kostengünstigste und flexibelste Ladelösung. Leider verfügen viele Gebäude nicht über die erforderliche Infrastruktur und Stromversorgung, was die Installation teuer macht. 

Das hierarchische, topologiebewusste Lastmanagement von Wevo Energy reduziert die Installationskosten drastisch und behält die Flexibilität der Fahrer bei. Die Lösung ist cloudbasiert, sehr einfach zu installieren und funktioniert mit jeder Standard-Wallbox.

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