Messkunst bei einer Million Watt
Der Schwerlastverkehr steht vor einem grundlegenden Wandel. Immer mehr Hersteller arbeiten an E-LKW, die in Zukunft Dieselflotten ersetzen sollen. Doch um kosteneffizient unterwegs zu sein, müssen ihre großen Batterien in möglichst kurzer Zeit geladen werden. Genau hier kommt das sogenannte Megawatt Charging ins Spiel: Ladeleistungen im Bereich von einer Million Watt und mehr. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig erforscht, wie sich solche Ladevorgänge präzise messen lassen. Denn nur wenn klar ist, wie viel Energie tatsächlich in der Batterie ankommt, funktioniert die Elektromobilität im Schwerlastverkehr zuverlässig.
Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Öffnet in einem neuen Tab) (PTB) ist das nationale Metrologie-Institut Deutschlands. Sie sorgt dafür, dass Messungen verlässlich, vergleichbar und nachvollziehbar sind. Das klingt erst einmal sehr theoretisch, ist aber eine Grundvoraussetzung für fast alle Bereiche des Alltags: vom Stromzähler im Keller bis zur Ladesäule an der Raststätte. Mit der Energiewende wächst diese Aufgabe in ihrer Komplexität. Strom kommt zunehmend aus dezentralen Quellen, Netze werden komplexer, Batterien leistungsfähiger, Ladeinfrastrukturen dichter. Damit dieses System gut und zuverlässig funktioniert, müssen alle Messwerte stimmen.
Um solche Zukunftsfragen besser zu bündeln, hat die PTB sechs Innovationscluster eingerichtet. Eins davon ist das Innovationscluster Energie (Öffnet in einem neuen Tab), dessen Geschäftsführer Dr. Tom Heins ist. Das Cluster koordiniert die Forschungsaktivitäten der PTB im Energiesektor und bringt hunderte Fachleute aus verschiedenen Abteilungen zusammen, die sonst eher nach Messgrößen und Messtechnik organisiert sind. Ein wichtiges Mitglied des Innovationsclusters ist der Fachbereich für Elektrische Energiemesstechnik, an dem gerade intensiv an der Entwicklung von Messtechnik für das sogenannte Megawatt Charging gearbeitet wird.
Wenn der LKW in der Pause lädt
Megawatt Charging bedeutet, dass E-LKW mit Ladeleistungen im Megawattbereich geladen werden. Ein Megawatt entspricht einer Million Watt. Zum Vergleich: ein Smartphone lädt mit wenigen Dutzend Watt, ein Laptop mit etwas mehr, eine heimische Wallbox für das E-Auto mit mehreren tausend Watt. Beim Laden schwerer E-LKW geht es jedoch um ganz andere Dimensionen. „Das sind Ladeeinrichtungen, mit denen man in sehr kurzer Zeit sehr große Mengen elektrische Energie übertragen kann“, erklärt Heins. „Erste Megawatt-Ladesysteme arbeiten heute bereits mit Leistungen von einem Megawatt, perspektivisch sind jedoch Leistungen von etwa drei Megawatt möglich“, ergänzt Fachbereichsleiter Dr. Enrico Mohns.
Die Notwendigkeit dafür liegt im Einsatzprofil schwerer Nutzfahrzeuge. Ein LKW im Fernverkehr braucht große Batterien, wenn er 500 bis 600 Kilometer weit kommen soll. Gleichzeitig darf er nicht stundenlang an der Ladesäule stehen. Wirtschaftlich wird das System also erst, wenn sich das Laden in die Fahrtpausen integrieren lässt. „Sobald man in der Größenordnung von zwei Megawatt ist, liegt man bei Ladezeiten von unter 20 Minuten“, sagt Heins. Der Ladevorgang selbst bleibt dabei vertraut: Stecker einstecken, laden, weiterfahren. „Die Stecker sind ein bisschen größer, aber die Säulen sehen ganz ähnlich aus.“
Noch befindet sich der Schwerlastverkehr mitten in der Transformation. Die Elektrifizierung kam zunächst bei kleineren Nutzfahrzeugen an, etwa auf der so genannten „letzten Meile“ des Lieferverkehrs in Städten. Auch Busse sind vielerorts bereits elektrisch unterwegs, so auch in Braunschweig. Nun folgen die großen LKW und Sattelschlepper. Heins beobachtet gespannt, dass erste Modelle mit sehr hohen Batteriekapazitäten auf den Markt kommen. Zeitgleich entsteht eine Ladeinfrastruktur, die deren Betrieb überhaupt erst ermöglicht.
Warum genaues Messen viel Geld spart
Die PTB selbst entwickelt keine LKW-Batterien und keine Ladesäulen. Ihre Arbeit beginnt an einer anderen Stelle: Wenn neue Technik nachweisbar präzise funktionieren muss. Die PTB beschreibt das mit dem Begriff „Abrechnungsgerechtigkeit“. Wer Strom lädt, soll auch genau die Energiemenge bekommen, die später auf der Rechnung steht. Denn was beim privaten Laden vielleicht nach einer kleinen Abweichung klingt, kann im Güterverkehr schnell teuer werden.
Ein LKW kann bei einem Ladevorgang ungefähr 600 Kilowattstunden Strom aufnehmen. Bei einem Preis von 50 Cent pro Kilowattstunde sind das rund 300 Euro pro Ladung. Passiert das täglich, summieren sich schon kleine Messfehler: Abweichungen von wenigen Prozent könnten im Jahr mehrere Tausend Euro wirtschaftlichen Schaden pro E-LKW verursachen. Genau deshalb ist das gesetzliche Messwesen so wichtig. So wie ein Stromzähler zu Hause bestimmte Anforderungen erfüllen muss, müssen also auch Ladesäulen nachweisen, dass sie korrekt messen.
Genau dafür entwickelt die PTB in der Arbeitsgruppe „Messeinrichtungen und -systeme für Elektrizität“ unter der Leitung von Dr. Christoph Leicht spezielle Prüftechnik. Eine kompakte Messbox wird zwischen E-LKW und Ladesäule geschaltet. „Damit können unsere Experten genau beobachten, was zwischen Ladesäule und Batterie geschieht“, erklärt Heins. Die Messtechnik erfasst hohe Ströme und Spannungen, bestimmt die übertragene Energie und vergleicht sie mit dem Wert, den die Ladesäule anzeigt. So kann mit speziellen Prüfverfahren sichergestellt werden, ob neue oder gewartete Anlagen korrekt abrechnen. Damit ist es auch denkbar, installierte Ladesäulen im Feld zu kontrollieren, etwa an Autobahnrastplätzen.
Braunschweig als Teil eines internationalen Netzwerks
Technisch ist diese Aufgabe anspruchsvoll. Beim Megawatt Charging fließen enorme Leistungen durch Kabel, Stecker und Messgeräte. Je dicker ein Kabel ist, desto weniger Wärme entsteht. Zugleich wird es aber schwerer und unhandlicher. Auch die Messbox selbst muss aufwendig gekühlt werden. Zur Verdeutlichung der Größenordnung zitiert Heins die Entwickler des Systems: „Wenn man bei einem Megawatt auch nur ein Prozent Verlustleistung hat, produziert man 10 Kilowatt Wärme.“ Das entspräche dem Betrieb mehrerer Heizlüfter auf voller Leistung.
Dass diese Forschung in Braunschweig stattfindet, ist kein Zufall. Die PTB ist in der Region fest verankert und zugleich international vernetzt. Denn in der Metrologie ist Austausch entscheidend: „Messwesen funktioniert, indem man schaut, ob man bei einer Messung zum selben Ergebnis kommt“, so Heins. Nationale Metrologieinstitute verschiedener Länder vergleichen ihre Verfahren laufend miteinander, damit Messungen überall zum selben Ergebnis führen. Insbesondere für eine internationale Ladeinfrastruktur ist das eine zentrale Voraussetzung.
Am Ende geht es beim Megawatt Charging nicht nur um größere Stecker und stärkere Batterien in den E-LKW. Es geht um Vertrauen in eine neue Infrastruktur: Speditionen müssen wissen, dass ihre Fahrzeuge wirtschaftlich laden. Fahrer:innen müssen sich darauf verlassen können, dass die Technik sicher funktioniert. Und Betreiber:innen müssen nachweisen, dass ihre Ladesäulen korrekt messen. Aus Braunschweig kommt dafür ein entscheidender Beitrag: Messkunst, die aus einer technischen Vision ein verlässliches System macht.
