High Power Charging

High Power Charging (HPC), oder auch Hochleistungsladen, ist eine relativ neue und sehr fortschrittliche Ladetechnologie für E-Autos (EVs), die ein schnelles Laden ermöglicht. Es handelt sich um eine Form des DC-Ladens (Laden mit Gleichstrom), bei der sehr hohe Kapazitäten von über 100 Kilowatt (kW) zum elektrischen Auftanken verwendet werden. Um diese hohen Kapazitäten zu bewältigen, setzt die Technologie auf eine spezielle Art von HPC-Ladestation und besondere HPC-Stecker, wie zum Beispiel Combined-Charging-System(CCS)- oder CHAdeMO-Stecker, sowie verschiedene Arten von flüssig gekühlten Kabeln. Aufgrund dieser Technologie können E-Autos mit deutlich höheren Geschwindigkeiten geladen werden, was die Ladezeiten auf etwa 20 bis 30 Minuten für eine 80-prozentige Ladung reduziert.

Wie das Laden von E-Autos entstand

Die Ladeinfrastruktur ist für das Funktionieren von EVs so wichtig wie Wasser für das Wachstum von Pflanzen. Es ist ganz einfach: ohne Laden kein Fahren. Ladeinfrastruktur und -technologien sind so alt wie die EVs selbst und entwickelten sich im Laufe der Zeit ebenso stark weiter. Technologische Fortschritte und veränderte Nutzerpräferenzen haben diese Evolution vorangetrieben.

Wusstest Du, dass die Elektromobilität (E-Mobilität) auf eine jahrhundertelange Geschichte zurückblickt? Das erste elektrisch betriebene Fahrzeug wurde im frühen 19. Jahrhundert entwickelt – noch etwas bevor das weltweit erste brauchbare Auto mit Verbrennungsmotor, entwickelt vom deutschen Ingenieur Karl Benz, in Serie ging. Die Fähigkeiten der Fahrzeuge waren zu Beginn stark begrenzt, sodass auch die Ladeinfrastruktur – verglichen mit den heutigen Standards – weit weniger extravagant war. Nicht nur, dass die Ladetechnologien noch nicht so weit verbreitet waren wie heute, auch die Ladekapazitäten waren noch sehr viel begrenzter.

Heutzutage werden Ladegeräte klassischerweise in zwei Kategorien eingeteilt: AC-Ladegeräte (die mit Wechselstrom funktionieren) und DC-Ladegeräte (die Autos mit Gleichstrom laden). Während erstere hauptsächlich langsame bis mittlere Ladegeschwindigkeiten liefern, bieten letztere schnelle Lademöglichkeiten. In  Leistungszahlen: AC-Ladegeräte liefern oft nur bis zu 1,8 kW (Level 1) und 3-22 kW (Level 2). DC-Ladegeräte können bis zu 300 kW oder mehr leisten (Level 3). Innerhalb der Level 3 lassen sich zwei weitere Formen unterscheiden: mittelschnelles Laden (23-99 kW) und High Power Charging (100 kW und mehr).

Was ist HPC-Laden: Entschlüsselung der Technologie

HPC ist eine transformative Kraft in der (R)Evolution der E-Mobilität, die Geschwindigkeit und Komfort des EV-Ladens neu definiert. Eine HPC-Ladestation verwendet fortschrittliche Elektronik, um hohe Spannungen zu verarbeiten, und wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um (anstatt diesen Vorgang wie beim AC-Laden im Auto zu vollführen), um die Batterie optimal zu laden.

Es gibt vier Hauptkomponenten, die ein effektives HPC-Laden ermöglichen:

• Fahrzeuge: Die Lithium-Ionen-Batterien moderner E-Autos, die vom fahrzeugeigenen Ladesystem gesteuert werden, können hohe Ladeleistungen erbringen, ohne dass die Langlebigkeit der Batterie beeinträchtigt wird. Leider kann nicht jedes E-Fahrzeug mit Gleichstrom geladen werden – ältere Modelle, kleinere E-Autos und Plug-in-Hybride können dies aufgrund ihrer geringen Batteriekapazität nicht.
• Batterien: Das Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Batteriezustand ist von entscheidender Bedeutung; fortschrittliche Batteriemanagementsysteme regulieren die Temperatur während des Ladens mit hoher Leistung und optimieren so die Effizienz und Lebensdauer der Batterie.
• Kabel: Die HPC-Technologie ist auf eine spezielle Verkabelung angewiesen, da eine sehr hohe Ladekapazität eingesetzt wird. Wo viel Strom fließt, wird auch viel Wärme erzeugt. Wärmemanagement und Flüssigkeitskühlung von DC-Ladekabeln sind daher ein wesentlicher Bestandteil des HPC-Ladevorgangs, um Sicherheit zu gewährleisten sowie eine höhere Energieeffizienz und Geschwindigkeit zu ermöglichen.
• Stecker: Es gibt zwei wichtige EV-Schnellladestandards: CCS und CHAdeMO. Beide verfügen über standardisierte Stecker und Protokolle für effizientes HPC. CCS bietet zwei Haupttypen von Steckern: Typ 1 (Combo 1), der in Nordamerika und Asien verwendet wird, und Typ 2 (Combo 2), der in Europa und anderen Regionen zum Einsatz kommt. Diese werden von vielen Automobilherstellern weltweit verwendet. CHAdeMO wird von bestimmten Herstellern bevorzugt, da es die Entwicklung der EV-Ladetechnologie vorantreibt.

Das HPC-Laden entwickelt sich ständig weiter und Verbesserungen in der Batterietechnologie ermöglichen ein schnelleres und effizienteres elektrisches Auftanken von EVs. Bidirektionales Laden (auch bekannt als Vehicle-to-Grid) und solares Laden (Stromversorgung von E-Autos mit Photovoltaik-Strom) führen beispielsweise zu nachhaltigeren, integrierten und ausgewogenen Energiesystemen. Die Integration einer HPC-Ladestation mit einer Batterie ermöglicht eine schnellere Skalierung, da die HPC-Ladestation so bereits mit der bestehenden Netzinfrastruktur betrieben werden kann.

Vorteile und Herausforderungen beim HPC-Laden

Der Ausbau der HPC-Ladeinfrastruktur ist für einen erfolgreichen Wandel im Mobilitätssektor notwendig, um den Bedürfnissen der Nutzer:innen nach schnellen und bequemen Ladevorgängen, auch unterwegs, gerecht zu werden. Das Laden mit HPC ist jedoch auch mit einer Reihe von Herausforderungen verbunden.

Vorteile

• Schnelle Ladegeschwindigkeit: Das Laden mit hoher Kapazität verkürzt die Ladezeiten erheblich, so dass die meisten EVs in weniger als 30 Minuten zu 80 Prozent aufgeladen sind.
• Verbesserte Akzeptanz von E-Autos: HPC-Laden beseitigt ein wesentliches Hindernis für die Akzeptanz von EVs: den mangelnden Komfort. Es macht E-Autos attraktiver und zugänglicher für ein breiteres Spektrum. von Verbraucher:innen. Auch Fernreisen werden attraktiver, wenn ein dichtes Netz von HPC-Ladestationen ein nahtloses und zeiteffizientes Aufladen ermöglicht, das Reichweitenangst minimiert und Überlandfahrten möglich macht.
• Reduzierter CO₂-Fußabdruck: HPC-Ladestationen können mehr Autofahrer:innen dazu motivieren, auf EVs umzusteigen, was wiederum den Übergang zu nachhaltiger E-Mobilität beschleunigen und damit zu einer Verringerung der CO₂-Emissionen beitragen würde.

Herausforderungen

• Netzbedarf: High Power Charging kann die lokalen Stromnetze belasten, sodass ein kostspieliger und zeitintensiver Ausbau der Netzinfrastruktur erforderlich ist, um den erhöhten Strombedarf von mehreren HPC-Ladestationen zu decken.
• Interoperabilität: Noch immer ist die Gewährleistung von Kompatibilität und nahtlosen Ladevorgängen über verschiedene Ladenetzwerke, Stecker und EV-Modelle hinweg eine Herausforderung, die dringende Standardisierungsbemühungen erfordert.
• Kosten: Der Aufbau einer HPC-Ladeinfrastruktur ist mit erheblichen Vorabinvestitionen verbunden, einschließlich Installation, Ausrüstung und Wartung, was eine schnelle und nahtlose Einführung sowie eine breite Zugänglichkeit zu HPC behindern kann.

Mit intelligenten Lösungen Herausforderungen meistern

Da Netzmodernisierung und -ausbau äußerst kostspielig und zeitintensiv sind, kann dies nicht der einzige Weg sein, um Netzengpässen entgegenzuwirken. Der Netzausbau in Deutschland dauert derzeit zum Beispiel etwa sechs bis zwölf Monate. Deshalb sollte die Devise zwingend lauten: Köpfchen statt Kupfer. Durch den Einsatz intelligenter Energiemanagementsysteme kann der Netzausbau auf ein absolutes Minimum reduziert werden. Dies ist vor allem bei HPC-Ladestationen wichtig, da diese durch ihre stärkeren und höheren Lastspitzen eine große Belastung des Stromnetzes darstellen. Intelligente und herstellerunabhängige Energiemanagementlösungen wie unsere XENON-Plattform ermöglichen es Kund:innen, die Ladeinfrastruktur-Elemente verschiedener OEMs verbinden, zu monitoren und intelligent zu steuern (gridX unterstützt derzeit Anlagen von mehr als 40 Herstellern und Standard-Kommunikationsprotokolle, wie EEBus oder OCPP). So werden einerseits Lastspitzen und andererseits damit auch die Netzentgelte minimiert. Besonders dabei: Durch die optimale Nutzung des verfügbaren Stroms werden auch der Netzausbau und die CO₂-Emissionen minimiert.

HPC-Ladeinfrastruktur in Europa

Der Global EV Outlook 2023 der Internationalen Energieagentur (IEA) berichtet, dass die Zahl der Schnellladestationen in Europa Ende 2022 die Marke von 70.000 überschritten hat; ein Anstieg von 55 Prozent im Vergleich zum Vorjahresstichtag. Unser Charging Report 2023 zeigt, dass der größte Teil Europas noch einen weiten Weg vor sich hat, bis eine ausreichende Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge erreicht ist – und zwar auf allen Ebenen des EV-Ladens. In Bezug auf HPC hat sich ein Land bislang einen deutlichen Vorsprung erarbeitet: Norwegen. 15 Prozent aller öffentlichen Ladepunkte in dem skandinavischen Land haben eine Leistung von über 100 kW. Deutschland scheint den Startschuss gehört zu haben und liegt mit 12 Prozent dicht dahinter. Im Gegensatz dazu zeigen bisher niedrigere Prozentsätze im Vereinigten Königreich (5 Prozent), in Frankreich (5 Prozent), Belgien (3 Prozent) und den Niederlanden (2 Prozent), dass HPC-Ladestationen in den kommenden Jahren stärker gefördert werden müssen. Leistungsstarke Ladegeräte sind von entscheidender Bedeutung, um den Bedarf der 41 Millionen E-Autos zu decken, die die Europäische Union und ihre Mitgliedstaaten bis zum Ende dieses Jahrzehnts auf die Straße bringen wollen.

HPC im Schwerlastverkehr

Neben dem Personenverkehr muss auch der Logistik- und Schwerlastverkehr ausreichend Zugang zu HPC-Ladestationen erhalten, um einen Wandel hin zu einer flächendeckenden E-Mobilität zu erreichen. Seit 2018 werden HPC-Ladestationen für den Schwerlastverkehr entwickelt, die sogenannten Megawatt (MW) Charging Systems (MCS). Die Technologie basiert auf CCS und soll später eine Ladeleistung von bis zu 3,75 MW ermöglichen. Die Entwicklung und Einführung von CCS-basierten MCS wird von der Charging Interface Initiative e. V. (CharIN e. V.) vorangetrieben, die 2015 in Berlin gegründet wurde.

Die Zukunft von High Power Charging

Die Technologie für das Laden mit hohen Kapazitäten wird ständig weiterentwickelt und wird sich in Zukunft noch weiter verbreiten. Die technologischen Fortschritte werden die Grenzen der Ladegeschwindigkeit und -effizienz verschieben, wodurch EVs an Attraktivität gewinnen werden. Da die Reichweite von batteriebetriebenen E-Autos stetig zunimmt, wird die Fähigkeit, mit höheren Kapazitäten immer schneller EVs zu laden, ebenso immer wertvoller. Mit dem Ausbau der Infrastruktur und der Verbesserung der Standardisierung wird das Laden mit hoher Kapazität daher zu einem noch unverzichtbareren Bestandteil sauberer, effizienter und vernetzter Mobilitätssysteme.

Amelie Meixner, Teamlead Customer Success bei gridX, erklärt: „In Kombination mit intelligenten Ladelösungen bietet das Hochleistungsladen ein komfortables und einwandfreies Ladeerlebnis, das entscheidend ist, damit E-Autos den Massenmarkt erreichen. HPC-Ladestationen müssen richtig in ganzheitliche Energiesysteme integriert werden, neben erneuerbaren Energiequellen und Vehicle-to-Grid-Technologie, um eine saubere und kosteneffiziente E-Mobilität in der Zukunft zu gewährleisten.“

Doch auch die besten Entwicklungen sind nur so gut wie die Rahmenbedingungen, die ihnen zugrunde liegen. Bestimmte regulatorische Hürden könnten – wenn sie nicht bald überwunden werden – einen schnellen und reibungslosen Ausbau der Ladeinfrastruktur in Europa verhindern. Anfang 2023 erklärten 20 europäische Betreiber von Ladestationen (CPOs) in einem offenen Brief, dass „der größte Engpass, mit dem die Betreiber heute konfrontiert sind, die Zeit ist, die es braucht, um einen Netzanschlusspunkt zu installieren, die Komplexität des Verfahrens, um einen solchen zu erhalten, und der Zugang zu ausreichender Netzkapazität“. Die Regierungen müssen daher darauf drängen, die Netzanschlussverfahren zu harmonisieren und zu standardisieren und Anreize für intelligente Lösungen zu schaffen, die den Weg für eine flächendeckende Einführung von Schnellladeinfrastruktur für E-Autos ebnen.