Photovoltaik und Elektroauto – Stromspeicher, Förderung und Inselanlage

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Mitten in der Energiewende wird der Ruf nach einer kostengünstigen und sicheren Kombination aus PV-Anlage und Elektroauto immer lauter. Für Unternehmen ist es oft lohnenswert, großflächige Photovoltaik-Dachanlagen mit Ladesäulen zu verbinden und anschließend den Fuhrpark auf E-Mobilität umzustellen. Worin liegen die Potenziale der Kombination aus PV-Anlagen, Ladestationen und Elektroauto? Welche Sicherheitsmaßnahmen müssen beachtet werden?

Inhaltsverzeichnis

  1. PV-Anlagen und Elektromobilität
  2. Elektrofahrzeuge als Stromspeicher?
  3. Kann ein Elektroauto mit Solar-Energie geladen werden?
  4. Wer ist für das Zusammenspiel von Photovoltaik und E-Fahrzeug verantwortlich?
  5. Rentabilität und Elektrosicherheit – ein Fazit

PV-Anlagen und Elektromobilität

Das Kabinett Merkel hatte sich bereits in der letzten Legislaturperiode ein ehrgeiziges Ziel gesetzt: Bis Ende 2020 sollten es bereits 1 Million zugelassene Elektrofahrzeuge in Deutschland sein – Stand Ende 2021 beträgt diese Zahl etwas über 500.000. Das Problem bei der großflächigen Umstellung auf E-Autos ist, dass Elektromobilität stets einen Strukturwandel mit sich bringt – Ladesäulen müssen errichtet und bestenfalls ein großes Maß an zusätzlicher grüner Energie durch Photovoltaik-Anlagen produziert werden. 

Der große Vorteil bei der Verbindung von Solarenergie mit Elektrofahrzeugen (Sektorenkopplung) ist die gesteigerte Wirtschaftlichkeit der PV-Anlage. Da die meisten Unternehmen im Gegensatz zu Wohngebäuden nur gewisse Nutzungszeiten und den Nachteil haben, nur an bestimmten Tageszeiten den Eigenstrom zu nutzen. In dieser Zeit kann nur ein Teil des Überschussstroms in der Batterie gespeichert oder ins Stromnetz eingespeist werden – das könnte sich durch die Kombination aus PV-Anlagen und Elektrofahrzeugen ändern.

Was müssen interessierte Unternhmen bei der Planung und Umsetzung einer Sektorenkoppelung beachten?

Checkliste Photovoltaik und Elektrofahrzeug

Unternehmen, die zu einer Kombination aus PV-Anlage und E-Mobilität bereit sind, winken staatliche Subventionen. Aber wie genau kann ein solches Projekt vonstattengehen? Welche Maßnahmen der Elektrosicherheit müssen Unternehmen beachten?

Die folgenden grundlegenden Punkte sollten sich Interessenten vor ihrer Entscheidung, Photovoltaik mit Elektrofahrzeugen zu kombinieren, vor Augen führen:

 ✓ Eigenverbrauch statt Netzeinspeisung
 ✓ Größe und Wirtschaftlichkeit der PV-Anlage
 ✓ Individuelle Ladestrategie für individuelle Unternehmen
 ✓ Interoperabilität der verschiedenen elektronischen Anlagen

Wichtig ist auch, dass Betriebe und Unternehmen Rücksprache mit ihren Netzbetreibern halten. Denn diesen bleibt es vorbehalten, einen Anschluss an das jeweilige Stromnetz zu erlauben und aufrechtzuerhalten. Falls nun aufgrund des erhöhten Eigenbedarfs die Einspeisemenge drastisch sinkt, könnte es zu Problemen kommen, da die Netzeinspeisung meist vertraglich geregelt ist.

Sowohl bei der Errichtung der Solaranlage als auch der Ladevorrichtungen müssen bestimmte bauliche Voraussetzungen geschaffen werden, damit das Elektroauto anschließend als weiterer Verbraucher der Gebäudetechnik betrachtet werden kann. Wie Unternehmen das bewerkstelligen können, lesen Sie hier.

Dreh- und Angelpunkt der gebäudetechnischen Ausstattung bei Bau und Betrieb von Photovoltaik und Ladesäulen ist das seit März 2021 gültige neue Gebäude-Elektromobilitätsinfrastruktur-Gesetz. Darin werden Grundelemente sowohl der Lade- als auch der Leistungsinfrastruktur behandelt und konkrete Ausgestaltungs- und Handlungsvorgaben festgesetzt.

Elektroauto als Stromspeicher?

Warum sind E-Auto-Batterien für erneuerbare Energien so wichtig? Erneuerbare Energie werden durch Wasser, Sonne und Wind gewonnen und lösen die fossilen Brennstoffe immer weiter ab. Aber: die Energielieferanten sind nicht konstant, sondern von Umwelteinflüssen – wie Sonneneinstrahlung, Wind und Fließgeschwindigkeit des Wassers – abhängig. Deshalb ist es wichtig, Energie zwischenzuspeichern und bei Bedarf nutzen zu können.

Wie kann ein Elektroauto als Stromspeicher fungieren? Diese können Strom zwischenspeichern und selber zur Batterie werden. So kann Stromkreisläufen Energie aufgenommen und abgegeben werden – vor allem bei PV-Anlagen kann der Eigenbedarf zwischengespeichert werden. Allein unter diesen Gesichtspunkten bietet die Verknüpfung von Photovoltaik und Elektromobilität großes Potenzial zur Energiewende.

Wird das Elektrofahrzeug als zusätzliche sekundär Batterie in der PV-Struktur genutzt, gelten Sicherheitsstandards nach DIN EN IEC  62485-1 (VDE 0519-485-1) in Kombination mit weiteren Schutzmaßnahmen nach VDE-AR-E 2100-712. Diese Normen ergänzen die Niederspannungsrichtlinie und unterteilen Batterien in folgende Klassen:

  • Stationäre Batterien (Allgemeiner Teil)
  • Antriebsbatterien für Elektrofahrzeuge
  • Verschlossene Bleibatterien zur Anwendung in tragbaren Geräten

Die Anwendungsregel VDE-AR-E 2100-712 gilt hingegen für die Planung und Errichtung von Niederspannungsanlagen für Photovoltaik-Systeme und gibt ergänzende Handlungsempfehlungen, die das Risiko eines elektrischen Schlages minimieren sollen.

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Sonnenenergie und Elektromobilität flächendeckend miteinander zu verknüpfen ist eine der Hauptherausforderungen der Mobilitätswende.
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 Welche Risiken gibt es beim Ladevorgang von Elektrofahrzeugen mit Energie aus PV-Anlagen?

Kann ein Elektroauto mit Solar-Energie geladen werden?

Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) geht zusammen mit dem SGS-TÜV u. a. dieser Frage in einer Studie nach. Die Methode: alle denkbaren Situationen werden unter Gesichtspunkten der DIN EN ISO 12100 überprüft und in Gefahrengruppen eingeteilt.

Zu den häufigsten Gefahrenquellen gehören:

  • elektrische Gefährdungen
  • ergonomische Gefährdungen
  • elektromagnetische Strahlung

Das größte Risiko geht von schlecht isolierten Kabeln aus. Folgen sind Stromschläge und Kabelbrände. Zwar hilft oft ein Fehlerstromschutzschalter, der ist aber erst seit dem Jahr 2007 aus bautechnischer Sicht zur Pflicht für alle Steckdosen-Stromkreise bei Neubauten geworden (MBO). Die Lösung sind spezielle Kabel, die bei beschädigter Isolierung die Stromzufuhr selbst unterbrechen können.

Die Gefahr elektromagnetischer Strahlung entsteht generell nur an Schnellladestationen und ist i. d. R. harmlos. Zwar liegen die Strahlungswerte unter dem Niveau, durch welches elektrisch-medizinische Geräte – Herzschrittmacher o. Ä. – gestört werden. Nichtsdestotrotz kann es bei Fehlern im elektrischen System zu erhöhter Strahlung kommen, die situationsabhängig die Gefahr erhöhen kann.
Auch ist davon auszugehen, dass mit fortschreitender Technik die Leistung der Schnellladesäulen gesteigert und damit die Stärke des elektromagnetischen Feldes erhöht wird. Unternehmen müssen demnach bei der Wahl der Ladesäulen diese Risiken der Schnelladesäulen gegenüber der deutlich längeren Ladezeit von Inselanlagen und Wallboxen abwägen.

Bei PV-Anlagen normieren die DIN EN 62446-1 und 62446-2 (VDE 0126-23-1/-2) die Erstinstallation sowie Instandhaltung. Bei Erweiterung der Schaltkreise um weitere Stationen (Ladesäulen, E-Fahrzeuge) greifen gewisse Teilbereiche der DIN-Norm auch für diese Bereiche.

Zusammenspiel unterschiedlicher Spannungsebenen

Verschiedene elektronische Systeme miteinander zu verbinden – sei es kurz- oder längerfristig, zur Energiespeicherung oder Übertragung – setzt kompatible Schnittstellen voraus. Die Interoperabilität mit anderen Systemen und Geräten ist beim Thema Photovoltaik und Elektrofahrzeugen essentiell. Aber eben an diesen Schnittstellen treten Komplikationen und Mängel auf, die zu Sach- und Personenschäden führen können.

Mit der EU-Richtlinie 2014/35/EU wurde im Februar 2014 eine Harmonisierung der Vorschriften zur Bereitstellung elektrischer Betriebsmittel zur Verwendung innerhalb bestimmter Spannungsgrenzen erlassen. Diese stellt neben der EMV-Richtlinie das wichtigste Regelwerk für Elektrosicherheit bei elektrischen Anlagen und Geräten dar. Umgangssprachlich Niederspannungsrichtlinie genannt, bildet die Vorschrift den Schutzstandard elektrischer Geräte, die eine Nennspannung zwischen 50 und 1000 V für Wechselstrom und zwischen 75 und 1500 V für Gleichstrom aufweisen. Für Produkte und Anlagen mit kleineren Nennspannung gelten die allgemeinen Produktsicherheits-Richtlinien. 

Was heißt das nun für Betreiber von PV-Anlagen, die ihrem System eines oder mehrere Elektrofahrzeuge hinzufügen wollen? Der begrenzende Faktor in einem derartigen Unterfangen ist nicht nur die Elektrosicherheit, sondern die Leistung der PV-Anlage bzw. von dessen Wechselrichter. Dementsprechend sollte unter dem Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit vor Einführung eines Elektro-Fuhrparks eine genaue Bestandsaufnahme der eigenen Solaranlagen stattfinden.

Jedes Elektroauto verfügt von Natur aus über eine Hochvolt-Antriebbatterie (Akku) mit mehreren Hundert Volt Spannung und eine 12-Volt-Starterbatterie, die gleichzeitig die weiteren technischen Applikationen (Bordelektronik usw.) speist. Somit herrschen ein Hochvoltsystem und ein Niedervoltsystem im Auto vor. Das Hochvoltsystem, bzw. dessen Batterie, kann durch externen Strom aufgeladen werden. Hingegen muss das Niedrigvoltsystem durch Rekuperation und bei Bewegung entstandener Energie gespeist werden.

Elektromobilität und Elektrosicherheit

Bei Elektrofahrzeugen kann es aufgrund der beschriebenen hohen Spannung zu Bränden kommen. Meistens ist hierbei die Lithium-Ionen-Batterie verantwortlich, bei der häufig durch mechanische Belastung eine Reaktion innerhalb des Akkus abläuft. Durch anschließend starke Wärmeentwicklung entsteht ein Brandherd, der schwer zu löschen ist.

Um derartige Gefahren zu verhindern oder frühestmöglich zu erkennen, gelten bei der Installation, Verwendung und Wartung von Ladestationen die VDI 2166 (Planung elektrischer Anlagen in Gebäuden – Hinweise für die Elektromobilität). Darin festgelegt werden u.a.:

  • Beachtung der notwendigen elektrischen Leistung
  • mehrere Ladeanlagen müssen gleichzeitig die volle Belastung erfahren
  • Bauteile und Komponenten sind auf maximale Belastung auszulegen
  • Energiemanagementsystem, das aktiv die Steuerung der Ladeleistung überwacht und regelt

Zusätzlich müssen alle Ladeplätze für Elektroautos nach VDI-Richtlinien 2166 auf die dortigen Gefahren hinweisen.

Aufgrund der Vielfältigkeit der verknüpften Anlagen und Systeme ist es für Unternehmen hilfreich, alle Richtlinien und Handlungsmöglichkeiten bei der alltäglichen Nutzung und Pflege sowie im Gefahrenfall auf einen Blick parat zu haben. Im Sicherheitshandbuch Elektrosicherheit können schnell die wichtigsten Punkte kontrolliert und dokumentiert werden. 

Wurden all diese Punkte berücksichtigt, bleibt die Frage nach Betrieb und Wartung der entsprechenden PV-Anlagen und Ladesäulen für Elektroautos offen.

Wer ist für das Zusammenspiel von Photovoltaik und E-Fahrzeug verantwortlich?

Wenn die Voraussetzungen und Anforderungen der Kopplung der PV-Anlagen mit E-Ladesäulen erarbeitet und überprüft wurden, bleibt die Frage der Zuständigkeit innerhalb des Betriebs oder Unternehmens. Falls es keine betriebseigenen Elektroniker gibt, könnte der Sicherheitsbeauftragte oder der Hausmeister eine Zusatzqualifikation zur Elektrofachkraft für festgelegte Tätigkeiten absolvieren. Anschließend wären diese verantwortlich für die Überwachung der PV-Anlagen und Ladesäulen.

Ein probates Kontrollmittel der fehlerfreien Funktionalität der verwendeten elektronischen Anlagen ist die zerstörungsfreie Elektrothermografie, die keine Unterbrechung der Stromkreisläufe voraussetzt.

Um die entsprechenden Anlagen instand zu halten, sollten bei festgelegten Prüfungs- und Wartungsintervallen spezialisierte Dienstleister oder Sachverständige hinzugezogen werden.

Rentabilität und Elektrosicherheit – ein Fazit

Bereits seit Ende 2016 hat der Gesetzgeber mit dem Gesetz zur Förderung von Elektromobilität steuerliche Vorteile für den Neu- oder Ausbau der Ladeinfrastruktur geschaffen (EStG). Darin sind auch Elektrofahrräder beinhaltet, die ebenso wie E-Fahrzeuge an den E-Ladesäulen Strom tanken können.

Förderung: Photovolatik und Elektroauto

Bei der angesprochenen Kombination aus PV-Anlagen und E-Autos können weitere steuerliche Vorteile geltend gemacht werden. Basierend auf dem EEG fallen Photovoltaik-Anlagen unter die förderungsfähigen Erneuerbaren Energien. Aber Vorsicht: ab einer bestimmten Größe der PV-Anlage und anschließendem Eigenverbrauch muss eine EEG-Umlage entrichtet werden (§ 61 EEG).

Aufgrund des Beschlusses des Bundesverfassungsgerichts vom März 2021 wurde das Klimaschutzgesetz novelliert. Um die geplante Reduzierung der gesamten Kohlenstoffdioxid-Emissionen um 88 Prozent im Jahr 2040 zum Vergleichsjahr 1990 zu erreichen, müssen Reformen nicht nur im Energiesektor stattfinden, sondern in der gesamten Industrie und Wirtschaft.

Problematisch ist das geringe Maß an Ladesäulen (sowohl ländlichen als auch städtischen Räumen) – hier könnte die betriebseigene Ladevorrichtung Abhilfe schaffen. Bereits viele Großunternehmen und Mittelständler verfügen über PV-Anlagen auf eigenen Betriebsgebäuden. Eine Erweiterung hinsichtlich Ladesäulen und Elektrofahrzeugen könnte den nächsten Schritt sowohl für die Elektromobilität als auch die Klimafreundlichkeit bedeuten.

Aus sicherheitsrelevanter Sicht gilt es, alle unterschiedlichen DIN-Normen und Handlungsempfehlungen parat zu haben, um das Schadensrisiko zu minimieren. In Punkto Elektrosicherheit und Brandschutz sollte jedes Unternehmen und jeder Betrieb ein umfassendes Sicherheitsschutzkonzept umsetzen, in welchem alle Anforderungen an die Kombination aus PV-Anlage und Elektrofahrzeugen beinhaltet sind.

Quellen: ZVEI, Photovoltaik.org, „Fachgerechte Planung und Ausführung von konventioneller und regenerativer Haustechnik“, Sicherheitshandbuch, Ausführungshandbuch für Photovoltaik-Anlagen, Sicherheitshandbuch Elektrosicherheit

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