Ladeverluste bei Elektroautos

Beim Laden von Elektroautos entstehen Ladeverluste, es landet also nicht der gesamte Strom im Akku des E-Autos. Das gilt für jede Art des Ladens, wir verlieren also Strom, egal ob wir mit Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC) laden. Doch wo geht der Rest des Stroms verloren und warum? Zudem: Auch wenn sich Ladeverluste nicht gänzlich vermeiden lassen, was können Nutzer und Hersteller von E-Autos und Ladestationen zur Verringerung der Ladeverluste beitragen?

LadeLeistung.at gibt einen Überblick über die technischen Hintergründe und Maßnahmen zur Verringerung der Ladeverluste. Dabei schauen wir uns jeweils auch die unterschiedlichen Ladearten AC und DC an.

Kurzfassung für Lesefaule

Aufgrund von elektrischen Widerständen, Wandelvorgängen und Wärmeentwicklung geht ein kleiner Teil des bezogenen Stroms beim Laden eines E-Autos verloren. Diese Ladeverluste treten sowohl beim AC- als auch beim DC-Laden auf und können nicht zur Gänze verhindert werden.

Ladeverluste können durch eine passende Ladestation, professionelle Installation sowie das richtige Ladekabel reduziert werden.

Herkunft und technische Ursachen für Ladeverluste

Ladeverluste sind unvermeidlich. Es landet nie der gesamte Strom im Akku des Elektroautos. Wir erklären im Folgenden wo der Strom verloren geht und welche Komponente dazu beitragen.

Vorab aber ein wenig Physik und Chemie: Energie geht grundsätzlich nie verloren oder kann verbraucht werden. Energie wird immer umgewandelt. Elektrische Energie wird also in Wärme, kinetische oder chemische Energie umgewandelt. Bei dieser Umwandlung kann auch immer Energie verloren gehen, ebenso beim Transport von Energie, wie wir im Folgenden herausfinden werden.

Im Weiteren sprechen wir immer dann von „verlorener“ Energie, wenn diese nicht dem ursprünglichen Zweck – dem Laden des Akkus des E-Autos – zugeführt wird, sondern am Weg dorthin in andere, nicht direkt nutzbare Energieformen umgewandelt wird.

Ladeverluste beim Wechselstromladen (AC)

Das Langsam- oder Normalladen von Elektroautos mit Wechselstrom umfasst den Großteil der Ladevorgänge im Alltag. Üblicherweise lädt man im Alltag nämlich dort, wo man gerade ist – also zuhause, im Büro, beim Einkaufen oder während der Shopping Tour in der Stadt und da hat man auch Zeit für langsameres Laden, weil das E-Auto sowieso länger steht. Zudem ist das Laden mit Wechselstrom die günstigere Variante im Vergleich zum Laden mit Gleichstrom. Am günstigsten ist die eigene Wallbox zuhause oder im Büro, aber auch öffentliches AC-Laden ist relativ günstig.

Die Ladeverluste beim AC-Laden haben folgende Ursachen:

Leitungsverluste: Jeder elektrische Leiter hat einen elektrischen Widerstand. Das bedeutet, dass der Strom am Weg durch das Leitungskabel einen elektrischen Widerstand überwinden muss und entsprechend Energie verloren geht. Je länger das Kabel, desto größer sind die Verluste. Im Extremfall geht hier bereits 1 % der Energie verloren.
Betriebsstrom der Ladestationen: Auch Ladestationen brauchen Energie während des Ladevorgangs, immerhin sind Charge Controller, Display, LED-Lichter usw. auch Stromverbraucher. Die Verluste belaufen sich hier auf bis zu 0,5 %.
Das Ladekabel: Wie die Zuleitung hat auch das Ladekabel einen elektrischen Widerstand, den der Strom überwinden muss. Je länger und schmäler das Kabel ist, desto größer sind die Verluste. Insgesamt sind die Ladeverluste hier aber überschaubar und üblicherweise deutlich unter 1 %.
Der On-Board-Charger: Der On-Board-Charger ist der größte Übeltäter in Bezug auf Ladeverluste. Allerdings ist er auch das Herzstück des AC-Ladens. Der On-Board-Charger wandelt den Wechselstrom aus dem Stromnetz in Gleichstrom zur Speicherung im Akku um. Dieser Vorgang ist relativ aufwändig, aber eben auch nicht zu ersetzen. Moderne On-Board-Charger haben eine Effizienz von über 90 %, Tendenz steigend. Wir verlieren bei diesem Schritt also bis zu 10 % der verbliebenen Energie.
Die Batterie: Auch der Akku selbst verfügt über einen Innenwiderstand. Beim Aufladen des Akkus wird die chemische Reaktion des Entladens umgekehrt und Lithium-Ionen wandern von der Kathode zurück zur Anode. Da dies einen gewissen Energieaufwand bedeutet entwickelt sich hier Wärme, wir verlieren also Energie. Die Batterie selbst trägt etwa 1-2 % zur den Ladeverlusten bei.

Ladeverluste beim Gleichstromladen (DC)

Schnellladen ist über alle Ladevorgänge gesehen eher der Ausnahmefall, aber für längere Strecken natürlich optimal, da will man möglichst schnell möglichst viel Energie laden. Aber auch hier entstehen Ladeverluste, auch wenn diese andere Ursachen haben als beim AC-Laden.

Leitungsverluste: Aufgrund der höheren Ladeleistungen entstehen beim DC-Laden auch höhere Leitungsverluste.
Die Ladestation: Die gute Nachricht ist, dass beim DC-Laden der Übeltäter des AC-Ladens, der On-Board-Charger, außen vor bleibt. Die Ladestation verfügt über einen Gleichrichter und umgeht somit den On-Board-Charger. Daher ist hier die Effizienz des Gleichrichters bzw. der gesamten Ladestation relevant und hier sollten moderne DC-Ladstationen zumindest 95 % Effizienz erreichen.
Die Batterie: Hohe Ladeleistungen führen zu einer starken Erwärmung der Zellen und Wärme ist in diesem Fall verlorene Energie. Zudem muss die Wärmeentwicklung natürlich überwacht und reguliert werden, was natürlich zusätzlich Strom verbraucht.

Allgemeinde Ursachen für Ladeverluste

Manche kleineren Ursachen für Ladeverlust sind unabhängig von der Art der Ladung:

Bordelektronik und BMS: Die Bordelektronik, also das 12V-System, sowie das Battery Management System (BMS) verbrauchen ebenfalls Strom während des Ladevorgangs.
Temperatur: Die Umgebungstemperatur und die Temperatur der Batterie bei Start und während des Ladevorgangs beeinflussen die Ladeverluste. Zu niedrige oder zu hohe Umgebungstemperaturen erhöhen die Ladeverluste ebenso wie eine zu kalte Batterie.

Öffentliches Laden und der Übergabepunkt

An dieser Stelle scheren wir kurz aus und schwenken zum öffentlichen Laden um: Hier stellt sich die Frage, wer die Kosten für die Ladeverluste trägt. Die Antwort darauf ist immer abhängig von der Platzierung des Energiezählers. Der Energiezähler sollte idealerweise immer direkt vor dem Abgabepunkt – also dem Ladekabel oder der Ladesteckdose – liegen. Somit werden die Ladeverluste vor dem Abgabepunkt vom Betreiber der Ladestation übernommen und die Ladeverlust danach, also Ladekabel und die Komponenten im Auto, vom Nutzer. Es ist aber ohnehin davon auszugehen, dass Ladestationsbetreiber die Effizienz ihrer Ladestationen in die Preisgestaltung einfließen lassen.

Ladeverluste reduzieren

Nun da wir die Ursachen kennen, sollten wir uns überlegen, wie Ladeverluste minimiert werden können. Denn auch abgesehen von der aktuellen Energiekrise in Europa kostet jede Kilowattstunde Geld und das sollte nicht unnötig verschwendet werden. Folgende Möglichkeiten haben Sie als Nutzer, um die Ladeverluste etwas zu reduzieren.

Ladeverluste reduzieren beim Wechselstromladen (AC)

Leitung: Die Leitung zur Ladestation sollte möglichst kurz gehalten werden. Haben Sie mehrere Stellplätze zur Wahl, statten Sie jene mit einer Ladestation aus, bei denen die Leitung möglichst kurz ausfällt. Das spart zudem auch Installationskosten. Zudem sollte die Leitung fachgerecht installiert werden. Ihr Elektriker achtet auf den passenden Querschnitt und die richtige Installation und kann somit einen Teil zur Reduzierung der Ladeverluste beitragen.
On-Board-Charger: Der On-Board-Charger sollte mit dem optimalen Wirkungsgrad betrieben werden. Bei zu geringer Ladeleistung entstehen höhere Ladeverluste. Der optimale Wirkungsgrad liegt bei oder nahe an der maximalen Ladeleistung des E-Autos. Richten Sie Ihre Ladeinfrastruktur also gleich entsprechend aus.
Nicht an der Steckdose laden: Beim Laden an der Haushaltssteckdose (Schuko) sind die Ladeverluste am größten! Sie erreichen hier einen Wirkungsgrad von weniger als 75 %, Sie verschwenden also mehr als ein Viertel der Energie!
Ladekabel: Auch diese Komponente können Sie beeinflussen. Je kürzer und dicker das Kabel ist, desto geringer ist der Widerstand. Mit „dicker“ ist hier der Kabelquerschnitt gemeint, der möglichst groß sein sollte. Ladekabel, die auf hohe Ladeleistungen, etwa 22 kW, ausgelegt sind, helfen zudem die Wärmeentwicklung und damit die Ladeverlust zu minimieren.

Ladeverluste reduzieren beim Gleichstromladen (DC)

Beim DC-Laden können Sie weitaus weniger Komponenten beeinflussen, immerhin steht die fix-fertige Ladestation ja schon bereit. Sie können aber darauf achten, dass der Akku die optimale Temperatur hat, bevor Sie die Ladung starten. Manche E-Autos haben eine Vorklimatisierung der Batterie, sodass Sie diese nur einschalten müssen und kurze Zeit später ist der Akku ideal auf das Laden vorbereitet.

Hat Ihr E-Auto keine Vorklimatisierung der Batterie, dann sollten Sie das Fahrzeug zumindest nicht mit komplett kalter Batterie an die DC-Ladestation hängen. Das heißt, Sie sollten ein paar Kilometer fahren, bevor Sie sich zur Ladestation begeben. Da Schnellladen aber ohnehin für längere Reisen gedacht ist, sollte das kein Problem darstellen.

Herstellerseitige Verbesserungen bei E-Autos

Nicht nur der Nutzer, sondern auch die Hersteller von E-Autos und Ladestationen sind gefordert Ladverluste zu minimieren und die Effizienz der E-Mobilität insgesamt damit zu fördern. An welchen Stellschrauben können Autohersteller also drehen, um Ladeverluste zu verringern?

Durch den On-Board-Charger geht beim AC-Laden die meiste Energie verloren. Die Hersteller sind daher gefordert On-Board-Charger mit einer möglichst hohen Effizienz zu entwickeln.

Das 12V-System des Autos sollte zudem auf möglichst geringen Verbrauch getrimmt sein, um auch an dieser Stelle höchsteffizient zu sein.

Herstellerseitige Verbesserungen bei Ladestationen

Hersteller von Ladestationen sind von jeher gefordert, effiziente Ladestationen zu entwickeln. Um Ladeverluste zu verringern können Ladestations-Hersteller für eine bessere Effizienz von DC-Ladstationen sorgen und den Stromverbrauch von AC- und DC-Ladestationen im Standby-Betrieb minimieren.

Fazit zu Ladeverlusten

Beschäftigt man sich zum ersten Mal mit dem Thema Ladeverluste kommt einem das System E-Auto auf einmal ziemlich verschwenderisch vor. Dabei sollte man allerdings nicht vergessen, dass das E-Auto mit großem Abstand die effizienteste Form des motorisierten Individualverkehrs ist. Einen Teil der Ladeverluste kann das E-Auto zudem über die Rekuperation kompensieren.

Dennoch kann man sich über ein Jahr oder Autofahrerleben viel Geld sparen, indem man beim Laden des E-Autos ebenfalls auf Effizienz achtet. Der erste Schritt dazu ist die passende Ladeinfrastruktur, die Sie bei uns im Shop finden und zu der wir Sie auch sehr gerne persönlich beraten.