Nachhaltige und intelligente Mobilität: IoT-Lösungen zur Optimierung von Ladestationen für Elektrofahrzeuge

Der Absatz von Elektrofahrzeugen ist in den letzten Jahren exponentiell gestiegen. Im Jahr 2020 waren 5 % aller verkauften Autos elektrisch angetrieben, wohingegen sich dieser Anteil bis 2021 auf 9 % fast verdoppelte. 2022 wurden mehr als 10 Millionen neue Elektroautos verkauft, was einem Marktanteil von 14 % entspricht. China war mit einem Anteil von 60 % an den verkauften Elektroautos führend, während es sich in Europa bei jedem fünften verkauften Auto um ein Elektroauto handelte. Auch die Nachfrage nach Schnellladestationen ist mit dem enormen Anstieg der Verkaufszahlen von Elektrofahrzeugen (EVs) gestiegen.

Elektroautos fehlt es noch an genug Energie für Langstreckenfahrten, daher ist der Zugang zu Schnellladestationen sehr wichtig. Die Reichweitenangst, also die Angst, dass die Batterie leer wird, ist eines der Hindernisse für eine noch breitere Akzeptanz von Elektrofahrzeugen. Diese Sorge kann durch ein engmaschiges Netz an Ladestationen zerstreut werden. Durch die Einbindung von hoch entwickelten Sensoren und IoT-Konnektivität werden zukunftsweisende Ladenetzwerke ermöglicht, die Elektrofahrzeuge, Ladestationen, Ladeanbieter, Zahlungsabwickler und Stromnetzbetreiber mühelos miteinander verbinden.

Echtzeit-Überwachung und -Management

IoT-Technologie kann für die Optimierung, Verwaltung und Fernüberwachung großer Netzwerke von Ladestationen eingesetzt werden. Mithilfe von IoT-Geräten und -Sensoren werden vorausschauende Wartung, Datenerfassung in Echtzeit, Integration von Zahlung und Abrechnung sowie dynamischer Lastausgleich ermöglicht. Die Nutzung, die Verfügbarkeit und die Leistung der Ladestationen können in Echtzeit überwacht werden, so dass ein sofortiger Einblick in alle Aspekte der Ladeumgebung und -infrastruktur möglich ist. Die IoT-Technologie ermöglicht intelligente Ladealgorithmen, die zur Optimierung des Ladevorgangs auf der Grundlage der Netzkapazität, des Gesamtstrombedarfs und der individuellen Präferenzen des Fahrers führen können.

Autofahrer, die eine freie Ladestation suchen, können eine von mehreren Möglichkeiten nutzen, um eine Ladestation zu finden. Eine interaktive Karte mit den derzeit verfügbaren öffentlichen Ladestationen auf Malta und Gozo bietet die App Charge my Ride. Kürzlich kündigte Google an, dass seine KI-basierte Maps-Anwendung die Standorte von Ladestationen anzeigen wird. Dazu gehören auch sehr detaillierte Beschreibungen, wo sich jede Station befindet. Bezahlen können die Nutzerinnen und Nutzer der EV-Ladestationen mit ihrem Smartphone oder mit RFID-Karten.

Vorbeugende Wartung

Die Funktionalität und Effizienz der EV-Ladestationen wird durch IoT-Sensoren und -Geräten innerhalb der EV-Infrastruktur erheblich verbessert. Die IoT-Technologie ermöglicht die Verwaltung und vollständige Überwachung der Ladestationen aus der Ferne und bietet somit einen unmittelbaren Einblick in die Leistung der EV-Ladegeräte. Fehlfunktionen und andere potenzielle Probleme können durch diese Echtzeitüberwachung frühzeitig erkannt werden.

Um sicherzustellen, dass die Ladestationen mit maximaler Leistung arbeiten, können Ladestationsbetreiber proaktive, vorausschauende Wartungsprogramme einführen. Das IoT ermöglicht den Betreibern die kontinuierliche Überwachung des Status jeder Ladesäule und der gesamten Datenerfassungs- und Kommunikationsumgebung.

Nachfragesteuerung und Lastausgleich

Elektrofahrzeuge werden auf der einen Seite  für ihre Umweltfreundlichkeit gelobt, andererseits stellen sie eine Herausforderung für das Stromnetz dar. Wenn das Energienetz Spitzenbelastungen oder unerwartet hohe Zugriffe zu bewältigen hat. Netzregulierer und Energieversorger nutzen gemeinsam mit den Betreibern von Ladestationen für Elektrofahrzeuge das IoT (Internet of Things, IoT) und eine intelligente Netzintegration, um den steigenden Strombedarf durch Elektrofahrzeuge in Spitzenlastzeiten auszugleichen. Auch können die Verbraucher dazu angeregt werden, ihre Stromnachfrage an die Zeiten mit der geringsten Nachfrage anzupassen.

ADR (Automated Demand Response) ist eine Initiative, deren Ziel die Optimierung des Stromnetzes in Zeiten hoher Nachfrage sicherstellen soll.. Bei OpenADR handelt es sich um ein Kommunikationsprotokoll, das es Netzbetreibern und Energieversorgern ermöglicht, Steuersignale zwischen intelligenten Sensoren und Geräten auszutauschen. Dieses Cloud-to-Cloud-System hat den Vorteil, dass die Strom- und Ladeinfrastruktur die erwartete Nachfrage kennt. Bei zu hoher Nachfrage an Energiebedarf, versenden die Server auf Seiten der Energieversorger, oder deren Lastgeneratoren sogenannte Lastverringerungsanfragen an ausgewählte Teilnehmer der betroffenen Infrastruktur. Zu dieser Flexibilität gehört auch die mögliche Versendung von „Teilnahmeanfragen“ von intelligenten EV-Ladesäulen an die steuerungsserver der Infrastruktur. Dadurch wird eine flexible und stabile Ladeinfrastruktur geschaffen.

Energiemanagement und Nachhaltigkeit

IoT ermöglicht es Anbietern und Netzbetreibern, intelligente Ladealgorithmen zu implementieren, um das Aufladen von Elektrofahrzeugen zu optimieren. Dabei werden die Netzkapazität, die individuellen Präferenzen des Fahrers und der Gesamtstrombedarf berücksichtigt. Das Netzwerk aus intelligenten IoT-Sensoren und Algorithmen hilft, das Netz auszubalancieren und Lastspitzen zu reduzieren. Das IoT ermöglicht eine durchgängige Überwachung und stetige Kommunikation zwischen den Teilnehmern von Elektrofahrzeug über das Ladegerät bis hin zum Ladestationsbetreiber und Netzbetreiber.

Um ein nachhaltiges Laden der Elektrofahrzeuge zu ermöglichen, ist die  Integration erneuerbarer Energiequellen eine der wichtigsten Entwicklungen bei der Stromversorgung. Mit der Nutzung von Sonnen-, Wasser- und Windenergie verbindet sich die Hoffnung, dass die Erzeugung von Strom für unsere Elektrofahrzeuge auf lange Sicht nachhaltig sein wird und die Auswirkungen auf unsee Umwelt weiter verringert werden. Bei der Steuerung der Nachfrage und der Energiequellen in Spitzenzeiten kann das IoT helfen.

Fallstudien und Erfolgsgeschichten

Das IoT-fähige Ladestationsnetz von Shell Recharge spart jährlich über 2.000 Tonnen Kohlenstoff ein und trägt so zum Umweltschutz bei. Damit Autofahrer ihre Fahrzeuge nahtlos aufladen können, baut Shell ein weltweites Netz von öffentlichen Schnellladestationen auf. Shell bietet Schnell- und Ultra-Schnellladestationen auf dem gesamten Kontinent an und ist damit Europas größter Ladepartner.

In Taiwan kooperieren Fortune Electric und ASUS IoT, um gemeinsam ein ausgeklügeltes, auf künstlicher Intelligenz basierendes Netzwerk zum Aufladen von Elektrofahrzeugen zu entwickeln. Durch das Scannen und Erkennen von Nummernschildern kann ein möglicher räumlicher Bedarf eingegrenzt werden und auch weitere . Ein nachhaltiges städtisches Ökosystem kann aufgebaut werden, indem IoT-Konnektivität integriert und Elektrofahrzeuge aufgeladen. Daten können in Echtzeit überwacht und analysiert werden. Adaptives Lastmanagement ermöglicht es, die Anforderungen an das Stromnetz zu steuern.

Herausforderungen und Zukunftstrends

Der Aufbau eines flächendeckenden Netzes von Ladestationen für Elektrofahrzeuge stellt eine große Herausforderung dar. Verbraucher erwarten die einwandfreie Funktionstüchtigkeit der Ladestationen, ohne die die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen nicht vollumfänglich ist. Nicht nur eine inakzeptable Kundenerfahrung und möglicherweise ein Nichterreichen des Fahrtziels wegen eines leeren Akkus, als auch Umsatzeinbußen auf Seiten der Betreiber, sind mögliche Folgen von nicht einwandfrei funktionierenden Ladesäulen. Neben den offensichtlichen Anforderungen an Ladesäulen, nimmt die Absicherung der intelligenten Ladesäule (Cyber-Sicherheit) einen immer bedeutenderen Stellenwert ein. Ob die finanziellen Transaktionen abgesichert werden müssen, die Bordcomputer der zu ladenden Fahrzeuge, oder die Netzinfrastruktur der Ladesäulenbetreibers. Wenn die Ladestationen nicht geschützt sind, können sie zu einem Ziel für Hacker werden.

Die Anbindung erneuerbarer Energien wie Wind- und Solarenergie wird in Zukunft durch Fortschritte in der IoT-Technologie noch einfacher. Mit Hilfe des IoT wird die Verwaltung von Strom aus verschiedenen Quellen möglich sein, so dass grüne Energie genutzt werden kann, wenn sie verfügbar ist. Zu den neuen Initiativen gehört, Emissionsgutschriften per Blockchain zu validieren und Emissionsminderungsdaten in Echtzeit zu verfolgen. In Zukunft soll auch die kabellose Ladetechnologie für Elektrofahrzeuge weiterentwickelt werden.

Fazit

Die Zahl der Elektrofahrzeuge steigt. Dies stellt eine große Herausforderung für die oftmals betagte Ladeinfrastruktur dar. Glücklicherweise können intelligente Ladestationen, die mit dem IoT verbunden sind, dazu beitragen, die Zuverlässigkeit der Ladestationen zu verbessern, Spitzenlasten im Stromnetz zu bewältigen und sogar die Nutzung erneuerbarer Energien zu fördern.

Der weltweite Markt für Elektrofahrzeuge wächst und technologische Fortschritte im IoT können dieses Wachstum unterstützen. Anbieter und Netzbetreibern kann geholfen werden auf die steigende Nachfrage der Verbraucher zu reagieren. IoT wird es den Anbietern ermöglichen, die steigende Nachfrage nach Ladestrom  für Elektrofahrzeugen zu befriedigen und somit ein bequemes, zuverlässiges und nahtloses Produkterlebnis zu bieten.