Elektromobilität I

Einsatz der Folie

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Diese Folie kann in der Elektrizitätslehre II (Sek I) im Fach Physik zum Thema „Zukünftige Energieversorgung, Mobilität der Bevölkerung“ eingesetzt werden. Dabei ergibt sich naheliegend ein Fächerübergriff zum gesellschaftswissenschaftlichen Bereich. Die Vergabe mehrerer Referate zur Vertiefung weiteren Hintergrundwissens bietet sich – je nach dem vom Lehrer gewünschten Umfang – an. Die zugehörige Kopiervorlage bietet zu dieser Thematik zwei Aufgaben, die in idealer Weise die Forderung erfüllen, dass zur Bearbeitung und Lösung nicht nur der Stoff aus dem unmittelbar vorangegangenen Unterrichtsgeschehen benötigt wird (im vorliegenden Falle wäre das wahrscheinlich die Elektrophysik), sondern auch Inhalte weiter zurückliegender Unterrichtsreihen aufgegriffen werden können (konkret hier: Wärmelehre, Energie und Leistung aus der Mechanik und nicht zuletzt fächerübergreifend zur Mathematik Prozentrechnung sowie allgemeine Sachaufgaben).

Inhalt der Folie

Kaum eine Branche unterliegt so vielen Änderungen, Neuerungen aber auch Auflagen wie die Automobilbranche. Ein ständiges Wetteifern der Konzerne untereinander treibt neue Technologien voran und sorgt für einen schnellen Wandel in der Antriebstechnik. Hieraus entstanden moderne Motoren mit immer geringerem Kraftstoffverbrauch und gleichzeitig steigenden Leistungsabgaben. Stand zunächst dieser Aspekt im Vordergrund der Entwicklung, kommen seit einigen Jahren mit zunehmender Rohstoffverknappung, Belastung durch Feinstaub und nicht zuletzt dem Klimawandel neue Anforderungen auf das Automobil zu. Das Fahrzeug soll zum einen möglichst „emissionslos“ fahren, also ohne Verbrennungsabgase, und sich zum anderen in die „neue“ Infrastruktur der Welt einbinden.

Oben:
Es ist eine fast emissionslose Stadt zu sehen. Die Schüler entdecken gemeinsam, welche Entwicklungen zur emissionslosen Stadt beitragen:

  • Windparks
  • Wasserkraftwerke
  • Solarparks
  • Solardächer
  • Ein Flugzeug mit Solarpanels auf den Flügeln
  • Segways (elektrische Roller für Personen)
  • Elektrofahrzeuge
  • Ladestationen für Elektrofahrzeuge
  • Rapsfelder für Biokraftstoffe

Mitte:
Unter Smart Grid versteht man im Allgemeinen die Realisierung intelligenter Stromnetze. Dies umfasst die kommunikative Vernetzung und Steuerung von Stromerzeugern, Speichern etc. und damit die effiziente und dezentrale Stromerzeugung und Verteilung. Doch wozu sind intelligente Netze notwendig? Das Problem liegt in der Stromerzeugung erneuerbarer Energien. Diese werden nicht ständig erzeugt, sondern nur nach Wetterlage. Daher sind sie schwer planbar. Durch ein effizientes Energiemanagement kann man dieses Problem jedoch unter Kontrolle bringen. Die Abbildung zeigt ein systematisches Smart Grid. Verschiedene Stromerzeuger und Stromverbraucher sind über ein Kontrollzentrum miteinander vernetzt. Große Kraftwerke können für die Absicherung der Grundversorgung benutzt werden. Erzeugter Strom aus erneuerbaren Energiequellen kann jetzt kontrolliert zugeschaltet werden oder aber auch durch das Kontrollzentrum in angeschlossene Kraftfahrzeuge mit Hochvolt-Batterien eingespeichert werden. Bei Bedarf kann diese Energie den Fahrzeugen wieder entnommen und so den Verbrauchern zur Verfügung gestellt werden. Dezentrale Stromerzeuger produzieren relativ kleine Mengen Strom, die in ein Netz eingespeist werden. Das sind zum Beispiel Photovoltaikanlagen auf den Dächern von Wohnhäusern, Windräder oder Mini-Blockheizkraftwerke. Der erzeugte Strom kann dann an einer Strombörse verkauft werden und steht über das Stromnetz anderen Verbrauchern zur Verfügung. Viele kleine Kraftwerke können so wie ein großes Kraftwerk von einer Netzleitwarte zentral gesteuert werden. Eine eigene Software sorgt für den abgestimmten Einsatz, in dem Verbrauchsanforderungen und Wetterprognosen berücksichtigt werden. Ein batteriebetriebenes Auto soll eines Tages nicht nur mit Strom fahren, sondern ihn auch speichern. Es kann bei Stromüberschuss aufgeladen werden und in Zeiten großen Bedarfs gespeicherten Strom wieder in das Netz abgeben.

Unten links:
Für das Aufladen der Batterie von Elektrofahrzeugen gibt es eine Vielzahl von "Stromtankstellen". Eine Stromtankstelle hat mindestens zwei Aufgaben. Sie muss eine Ladesteckdose für das Fahrzeug freigeben und die Registrierung und Abrechnung für den Abnehmer einfach realisierbar machen. Die Form der Stromtankstelle richtet sich nach den Komponenten, die im Inneren verbaut werden. Das sind zum Beispiel:

  • Einspeise- und Anschlusstechnik
  • Überspannungsschutz
  • Stromversorgung
  • Steuerung
  • Energieerfassung
  • Bedienelemente
  • Anzeigeelemente
  • Identifikationselektronik
  • Datenübertragung zur Verrechnungsstelle

Beim Aufladen der Batterie des jeweiligen Fahrzeuges fließen sehr hohe Ströme. Diese Werte erhöhen sich nochmals bei Schnellladestationen. Insgesamt gibt es drei unterschiedliche Leistungsstufen bzw. Lademodi, die sich auf die IEC Norm 62196 beziehen und an denen ein Elektrofahrzeug prinzipiell aufgeladen werden könnte. Die Gefahr geht dabei von der Schnittstelle zwischen Ladestation und KFZ aus, da dort der Mensch mit dem Stromkreis in Berührung gerät. Dies hat zur Konsequenz, dass der Stecker, der am KFZ angeschlossen wird, hohen Sicherheitsansprüchen genügen muss.

Unten rechts:
Die Abbildung zeigt den Stecker, der in Europa für die Ladung von Elektrofahrzeugen an Ladesäulen seit Januar 2013 von der Europäischen Kommission als Standard festgelegt wurde (EN 62196 Typ 2). Der Typ-2-Stecker sowie die -Kupplung werden in der Norm IEC 62196-1 beschrieben und sind in ganz Europa und für alle Elektroautos und für alle Ladestationen gleich. Der Stecker wurde von MENNEKES in Kirchhundem (Kreis Olpe, NRW) in Zusammenarbeit mit RWE und der Daimler AG entwickelt.

Er hat insgesamt 7 Kontakte: PP (Proximity Pilot), CP (Control Pilot), L1, L2, L3 (Außenleiterkontakte), PE (Schutzkontakt) und N (Neutralleiter). Die Ladeströme liegen zwischen 13 A, beim Laden an einfachen Haushaltssteckdosen, bis zu 400 A, beim Schnellladen an der Ladesäule. Über die Signalleitung CP (Control Pilot) werden nach IEC 61851-1 folgende Zustände übertragen:

  • +12 V: standby, Status A, kein Fahrzeug angedockt, Ladekontakte stromlos
  • 8 V bis 10 V: vehicle detected, Status B, ein Fahrzeug ist angeschlossen
  • 5 V bis 7 V: ready (charging), Status C, das angeschlossene Fahrzeug wird aufgeladen, Ladestrom fließt
  • 2 V bis 4 V: with ventilation, Status D, die Belüftung wird eingeschaltet
  • 0 V: no power (shut off), Status E, Ladevorgang beendet
  • -12 V: error, Status F, es ist ein Fehler aufgetreten, Ladevorgang abgebrochen

Der Kontakt PP (Proximity Pilot) meldet der Ladestation über eine Widerstandsmessung (PP-PE) nach IEC 61851-1 den maximal möglichen Ladestrom des Fahrzeugs (bzw. des Ladekabels). Durch die Konstruktion des Steckers sind Verpolung oder Fehlbedienung ausgeschlossen.

Die Kopiervorlage 12 nimmt unmittelbar Bezug auf die Folie 12. Sie enthält Aufgabenstellungen aus der Elektrotechnik, aber auch Bezüge zur Wärmelehre und Mechanik.

    Lernziele: Die Schülerinnen und Schüler sollen

  • wesentliche Merkmale einer zukünftigen "emissionslosen Umwelt" erkennen und benennen können.
  • Grenzen eines reinen Elektroantriebs erkennen und für bestimmte Anwendungszwecke Alternativen aufzeigen können.
  • vergleichende Energie- und Kostenrechnungen für Alltagsprobleme ausführen können.
  • mehrere Teilgebiete der Physik bei der Lösung einer Aufgabe einsetzen können.