Welche Netzrückwirkungen erzeugen Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge?

Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge erzeugen Netzrückwirkungen, weil ihre leistungselektronischen Wandler den Strom nicht sinusförmig, sondern in Impulsen aus dem Netz entnehmen. Das führt zu Oberschwingungen, Spannungsverzerrungen und im schlimmsten Fall zu einer messbaren Verschlechterung der Netzqualität. Die folgenden Abschnitte beantworten die wichtigsten Fragen rund um Netzrückwirkungen von Schnellladestationen, von den physikalischen Grundlagen bis zu konkreten Gegenmaßnahmen.

Wie beeinflussen Schnellladestationen die Spannungsqualität im Netz?

Schnellladestationen beeinflussen die Spannungsqualität, indem sie durch nichtlineare Stromaufnahme Oberschwingungen einleiten, lokale Spannungsabfälle verursachen und die Symmetrie im Drehstromnetz stören. Je höher die Ladeleistung und je schwächer der Netzanschlusspunkt, desto ausgeprägter sind diese Effekte. Betroffen sind vor allem Netzbereiche mit langen Leitungslängen und geringer Kurzschlussleistung.

Die Spannungsqualität, auch als Netzqualität oder Power Quality bezeichnet, beschreibt, wie nah die tatsächliche Netzspannung an der idealen Sinuswelle liegt. Schnellladestationen greifen in dieses Gleichgewicht auf mehreren Ebenen ein:

Spannungsabfall: Hohe Ladeströme erzeugen an der Netzimpedanz einen Spannungsabfall, der die Versorgungsspannung am Anschlusspunkt senkt.
Spannungsverzerrung: Nichtlineare Lasten verzerren die Sinuswelle und erhöhen den Gesamtklirrfaktor (THD, Total Harmonic Distortion).
Spannungsfluktuationen: Schnelles Ein- und Ausschalten von Ladeprozessen kann kurzzeitige Spannungsschwankungen erzeugen, die empfindliche Geräte in der Umgebung beeinflussen.
Unsymmetrie: Einphasige Ladepunkte, die ungleichmäßig auf die drei Phasen verteilt sind, erzeugen eine Unsymmetrie der Phasenspannungen.

Besonders kritisch ist die Situation in Industriegebieten oder Gewerbearealen, wo bereits andere nichtlineare Lasten wie Frequenzumrichter und Schweißanlagen die Netzqualität vorbelasten. Jede zusätzliche Schnellladestation summiert sich in diesem Kontext auf die bestehende Belastung. Lösungen aus dem Bereich Energie- und Anlagentechnik helfen dabei, diese Herausforderungen systematisch zu adressieren.

Welche Oberschwingungen entstehen beim Schnellladen von E-Autos?

Beim Schnellladen von Elektrofahrzeugen entstehen hauptsächlich charakteristische Oberschwingungen der Ordnungen 5, 7, 11 und 13, also Vielfache der Grundfrequenz von 50 Hz. Diese entstehen durch die getakteten Leistungswandler in den Ladestationen, die den Strom in kurzen Pulsen aus dem Netz ziehen, anstatt ihn gleichmäßig zu entnehmen.

Oberschwingungen sind sinusförmige Spannungs- oder Stromkomponenten, deren Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Netzgrundfrequenz ist. Bei 50-Hz-Netzen bedeutet das: Die 5. Harmonische liegt bei 250 Hz, die 7. bei 350 Hz, die 11. bei 550 Hz und so weiter. Die genaue Zusammensetzung des Oberschwingungsspektrums hängt von der Bauart der Ladesäule ab:

Dreiphasige Brückengleichrichter (6-Puls): Erzeugen typischerweise die 5., 7., 11. und 13. Oberschwingung mit vergleichsweise hohen Amplituden.
12-Puls-Gleichrichter: Unterdrücken die 5. und 7. Harmonische weitgehend, die 11. und 13. bleiben jedoch relevant.
Aktive Gleichrichter mit PFC (Power Factor Correction): Reduzieren das Oberschwingungsspektrum deutlich, erzeugen aber hochfrequente Schaltoberschwingungen im Bereich mehrerer Kilohertz.

Diese Oberschwingungsströme fließen nicht nur in der Ladesäule selbst, sondern breiten sich über das Niederspannungsnetz aus. Sie können Transformatoren zusätzlich erwärmen, Schutzrelais fehlauslösen und bei empfindlichen Messgeräten oder Steuerungen zu Fehlfunktionen führen. In Industrieumgebungen ist das besonders relevant, weil Produktionsanlagen auf eine saubere Spannungsversorgung angewiesen sind – ein Thema, das eng mit moderner Steuerungs- und Automatisierungstechnik verknüpft ist.

Was ist der Unterschied zwischen AC- und DC-Schnellladen bei Netzrückwirkungen?

Der wesentliche Unterschied liegt darin, wo die Leistungselektronik sitzt: Beim AC-Laden befindet sich der Gleichrichter im Fahrzeug, beim DC-Schnellladen in der externen Ladestation. DC-Schnelllader erzeugen daher deutlich höhere Netzrückwirkungen auf der Infrastrukturseite, da sie mit wesentlich größerer Leistung direkt ins Netz eingreifen.

AC-Laden: Rückwirkungen im moderaten Bereich

Bei AC-Ladepunkten stellt die Ladesäule lediglich den Anschluss bereit, während der Onboard-Lader im Fahrzeug die Gleichrichtung übernimmt. Die Ladeleistung ist typischerweise auf 11 bis 22 kW begrenzt. Die Netzrückwirkungen sind entsprechend geringer, aber nicht vernachlässigbar: Auch Onboard-Lader arbeiten mit Leistungselektronik und erzeugen Oberschwingungen, jedoch auf einem niedrigeren Leistungsniveau.

DC-Schnellladen: Höhere Rückwirkungen, bessere Filterbarkeit

DC-Schnellladestationen mit Leistungen von 50 kW bis über 350 kW enthalten leistungsstarke Gleichrichter und DC/DC-Wandler direkt in der Säule. Die hohen Ströme und schnellen Schaltvorgänge erzeugen ein breiteres Oberschwingungsspektrum mit höheren Amplituden. Gleichzeitig bieten moderne DC-Schnelllader durch aktive Leistungsfaktorkorrektur und mehrstufige Topologien bessere Möglichkeiten, Netzrückwirkungen technisch zu begrenzen, als es bei einfachen Onboard-Ladern der Fall ist. Entscheidend ist letztlich die Qualität der eingesetzten Leistungselektronik und der implementierten Filtertechnik.

Wie wirken sich viele Ladepunkte gleichzeitig auf das lokale Netz aus?

Wenn viele Schnellladestationen gleichzeitig betrieben werden, addieren sich ihre Netzrückwirkungen. Das führt zu einer kumulativen Verschlechterung der Spannungsqualität, zu erhöhter Transformatorbelastung und im Extremfall zu Spannungseinbrüchen, die die Versorgungssicherheit des gesamten Netzabschnitts gefährden können.

Die gleichzeitige Nutzung mehrerer Ladepunkte, in der Fachsprache als Gleichzeitigkeitsfaktor bezeichnet, ist ein zentrales Planungsproblem für Ladeinfrastruktur. Folgende Effekte treten bei hoher Gleichzeitigkeit auf:

Thermische Überlastung: Transformatoren und Kabel werden durch die summierte Oberschwingungsbelastung stärker erhitzt als durch den reinen Grundschwingungsstrom, was die Lebensdauer verkürzt.
Spannungsabfall: Hohe Gleichzeitigkeit führt zu messbaren Spannungsabfällen am Netzanschlusspunkt, besonders in schwachen Netzabschnitten.
Resonanzphänomene: Mehrere Ladestationen mit ähnlichen Filtercharakteristiken können gemeinsam mit der Netzimpedanz Resonanzkreise bilden, die bestimmte Oberschwingungsfrequenzen verstärken statt dämpfen.
Rückwirkung auf andere Verbraucher: Industriebetriebe, die denselben Transformator nutzen, können durch die verschlechterte Spannungsqualität Produktionsausfälle oder Fehlfunktionen erleiden.

Für Industriestandorte mit eigener Ladeinfrastruktur ist daher eine sorgfältige Netzanalyse vor der Installation unerlässlich. Die Kurzschlussleistung am Verknüpfungspunkt, die vorhandene Netzimpedanz und bereits bestehende Oberschwingungsbelastungen müssen berücksichtigt werden, bevor Ladepunkte in Betrieb gehen.

Welche Normen und Grenzwerte gelten für Netzrückwirkungen von Ladestationen?

Für Netzrückwirkungen von Schnellladestationen gelten in Europa primär die Normen IEC 61000-3-2 und IEC 61000-3-12 für Oberschwingungsströme sowie die EN 50160 für die zulässige Spannungsqualität am Übergabepunkt. Ladestationen müssen außerdem die EMV-Richtlinie der EU erfüllen, die in der Norm IEC 61851 für Elektrofahrzeug-Ladesysteme konkretisiert wird.

Im Einzelnen regeln folgende Normen und Vorgaben den Bereich:

IEC 61000-3-2: Begrenzt Oberschwingungsströme für Geräte bis 16 A Anschlussstrom pro Phase. Für Ladestationen mit höheren Strömen gilt IEC 61000-3-12.
IEC 61000-3-12: Definiert Grenzwerte für Geräte mit Anschlussströmen zwischen 16 A und 75 A und legt Anforderungen an das Kurzschlussleistungsverhältnis am Verknüpfungspunkt fest.
EN 50160: Beschreibt die zulässigen Merkmale der Versorgungsspannung in öffentlichen Netzen, darunter THD-Grenzwerte und zulässige Spannungsabweichungen.
IEC 61851 / ISO 15118: Regelt die Kommunikation und elektrischen Anforderungen für Ladesysteme, einschließlich Anforderungen an die Netzverträglichkeit.
TAB (Technische Anschlussbedingungen): Die jeweiligen Netzbetreiber stellen eigene Anschlussbedingungen auf, die für den Betrieb von Ladestationen eingehalten werden müssen und oft strengere Grenzwerte enthalten als die Normen.

Betreiber von Ladeinfrastruktur sind gut beraten, frühzeitig Kontakt mit dem zuständigen Netzbetreiber aufzunehmen, da dieser auf Basis einer Netzverträglichkeitsprüfung entscheidet, ob und unter welchen Auflagen eine Anlage ans Netz gehen darf.

Wie lassen sich Netzrückwirkungen von Schnellladestationen reduzieren?

Netzrückwirkungen von Schnellladestationen lassen sich durch aktive und passive Filtertechnik, intelligentes Lademanagement und eine sorgfältige Netzplanung wirksam begrenzen. Der effektivste Ansatz kombiniert technische Maßnahmen an der Ladesäule selbst mit einer übergeordneten Steuerung der Ladeinfrastruktur.

Konkret stehen folgende Maßnahmen zur Verfügung:

Aktive Leistungsfaktorkorrektur (PFC): Moderne Ladestationen mit PFC-Schaltungen ziehen einen nahezu sinusförmigen Strom aus dem Netz und reduzieren den THD auf unter 5 Prozent. Das ist die wirksamste Einzelmaßnahme auf Geräteebene.
Passive Netzfilter: LC-Filter oder Drossel-Kondensator-Kombinationen dämpfen spezifische Oberschwingungsfrequenzen direkt am Anschlusspunkt der Ladesäule.
Aktive Oberschwingungsfilter (Active Power Filter, APF): Diese Geräte messen das Oberschwingungsspektrum in Echtzeit und speisen Gegenphasenströme ein, um die Verzerrungen zu kompensieren. Besonders geeignet für Standorte mit mehreren Ladepunkten.
Intelligentes Lastmanagement: Durch koordinierte Ladesteuerung lässt sich die Gleichzeitigkeit begrenzen. Fahrzeuge laden dann zu unterschiedlichen Zeiten oder mit reduzierter Leistung, wenn die Netzbelastung bereits hoch ist.
Mehrstufige Umrichtertopologien: Ladestationen mit 12-Puls- oder Multilevel-Topologien erzeugen von vornherein ein günstigeres Oberschwingungsspektrum.
Netzausbau und Transformatorauslegung: Wenn die Ladeinfrastruktur wächst, kann ein dedizierter Transformator für Ladesäulen die Rückwirkungen auf das allgemeine Versorgungsnetz isolieren.

Für Industriestandorte empfiehlt sich eine ganzheitliche Betrachtung: Netzrückwirkungen der Ladeinfrastruktur sollten gemeinsam mit den bestehenden Oberschwingungsquellen der Produktion analysiert und durch ein übergreifendes Energiemanagement gesteuert werden.

Wie wir bei KSV Koblenz bei Netzrückwirkungen von Ladeinfrastruktur unterstützen

Netzrückwirkungen von Schnellladestationen sind kein isoliertes Problem, sondern Teil der gesamten elektrischen Infrastruktur eines Standorts. Genau hier setzt unser ganzheitlicher Ansatz an: Wir planen, bauen und integrieren Ladeinfrastruktur als Teil eines übergeordneten Energieverteilungs- und Managementsystems, das die Netzqualität von Anfang an mitdenkt. Mehr über unsere Arbeitsweise und Werte erfahren Sie auf unserer Unternehmensseite.

Konkret unterstützen wir mit folgenden Leistungen:

Netzanalyse und Netzverträglichkeitsprüfung: Wir analysieren die bestehende Netzqualität am Standort und bewerten, welche Rückwirkungen eine geplante Ladeinfrastruktur erzeugen würde, bevor die erste Säule installiert wird.
Planung und Bau von Energieverteilungssystemen: Von der Mittelspannungseinspeisung bis zur Unterverteilung legen wir die gesamte elektrische Infrastruktur so aus, dass Ladeinfrastruktur sicher integriert werden kann.
Integration von Filtermaßnahmen: Wir planen und installieren passive und aktive Filtersysteme, die Oberschwingungen gezielt kompensieren und die Anforderungen der geltenden Normen sicher einhalten.
Intelligentes Energiemanagement: Unser Energiemanagement koordiniert Ladeinfrastruktur, Produktion und Gebäudetechnik in einem integrierten System, das Lastspitzen vermeidet und die Netzqualität dauerhaft sichert.
Wartung und Inbetriebnahme: Wir begleiten Projekte von der Planung über die Installation bis zur Inbetriebnahme und stehen langfristig als Servicepartner zur Verfügung.

Ob Sie eine neue Ladeinfrastruktur planen oder eine bestehende Anlage auf Netzverträglichkeit prüfen lassen möchten: Sprechen Sie uns an. Wir beraten Sie konkret, herstellerunabhängig und mit über 45 Jahren Erfahrung in der Elektrotechnik.