Bidirektionales Laden: Das E-Auto als mobilen Stromspeicher nutzen

Wer eine Photovoltaikanlage mit Stromspeicher hat, kennt das Prinzip: Überschüssiger Solarstrom wird in die Batterie geladen und kann später flexibel im Haushalt genutzt werden. Bidirektionales Laden folgt dem gleichen Prinzip – nur dass statt eines stationären Stromspeichers die Batterie des E-Autos als Speicher eingesetzt wird. 

Wir erklären in diesem Beitrag, wie bidirektionales Laden funktioniert und welche Vor- und Nachteile das E-Auto als Stromspeicher bietet. 

Was ist bidirektionales Laden?

Derzeit werden die meisten Elektroautos unidirektional geladen: Strom aus dem Netz, aus der PV-Anlage oder aus dem Stromspeicher fließt in die Batterie des E-Autos. Beim bidirektionalen Laden kann der Strom in beide Richtungen fließen: sowohl aus dem Netz in die Autobatterie als auch aus der Batterie zurück ins Hausnetz oder das öffentliche Stromnetz. Wenn Fahrzeug, Ladeinfrastruktur und Energiemanagement kompatibel sind, kann die Fahrzeugbatterie damit zusätzlich Strom aufnehmen und zu einem späteren Zeitpunkt wieder abgeben.
 

Die Idee des „mobilen“ Stromspeichers auf vier Rädern

Eine Photovoltaikanlage kann tagsüber einen Teil des Strombedarfs im Haushalt decken. Wie hoch dieser Anteil ist, hängt unter anderem von Anlagengröße, Sonneneinstrahlung und Verbrauch ab. Ein Stromspeicher kann tagsüber erzeugten PV-Strom aufnehmen und für eine spätere Nutzung bereitstellen. Stationäre Batteriespeicher werden einzeln oder zusammen mit einer Photovoltaikanlage angeboten. Wie lange der gespeicherte Strom den Haushalt versorgen kann, hängt von nutzbarer Kapazität, Ladezustand und Verbrauch ab.

Fahrzeugbatterien weisen häufig eine höhere Nennkapazität auf als Heimspeicher. Die tatsächlich für das Gebäude verfügbare Energiemenge hängt jedoch von Fahrzeugmodell, freigegebener Entladetiefe, Mindestladestand und Systemverlusten ab. Die Idee liegt also nahe: Immer dann, wenn das E-Auto zuhause geparkt ist, kann man die Batterie als zusätzlichen Stromspeicher nutzen, um selbst erzeugten Strom zu laden – und bei Bedarf auch wieder aus der Batterie zu entnehmen. Auf diese Weise könnte das E-Auto den stationären Heimspeicher ergänzen – und so helfen, die schwankende Erzeugung aus erneuerbaren Quellen besser zu nutzen.
 

Welche Voraussetzungen sind für bidirektionales Laden erforderlich?

Batterien können Strom sowohl aufnehmen als auch abgeben – damit sind sie grundsätzlich für bidirektionales Laden geeignet. Allerdings laden Batterien Gleichstrom (DC) und geben diesen auch wieder ab, während das Hausstromnetz bzw. das öffentliche Stromnetz Wechselstrom (AC) nutzen. Daher verfügen E-Autos über einen integrierten Gleichrichter, der beim Laden den AC-Strom aus dem Netz in DC-Strom umwandelt.

Möchte man den DC-Strom aus der Batterie zum Einspeisen oder zur Versorgung des Haushalts nutzen, muss er wieder in AC-Strom umgewandelt werden. Dafür existieren zwei unterschiedliche Ansätze: Bidirektionales Laden mit Wechselstrom (AC) oder Gleichstrom (DC). 

Beim Bidirektionalen AC-Laden sitzt der Wechselrichter im E-Auto selbst. Über das Ladekabel wird Wechselstrom übertragen, welcher direkt im Hausnetz genutzt werden kann. 

Ein alternativer Ansatz ist das Bidirektionale DC-Laden, bei welchem der Gleichstrom der Fahrzeugbatterie direkt an die Wallbox übertragen wird und erst dort in Wechselstrom umgewandelt wird. 
 

Welche Autos unterstützen bidirektionales Laden?  

Viele E-Auto-Hersteller werben bereits mit der Rückspeisefähigkeit ihrer Fahrzeuge. Jedoch lohnt sich eine genaue Betrachtung der Funktionalität. Gerade bei den asiatischen Herstellern gibt es schon einige E-Auto-Modelle, die bidirektionales Laden über DC unterstützen. Jedoch wird dafür der in Deutschland unübliche CHAdeMO-Standard verwendet, welcher mit europäischen Wallboxen praktisch nicht nutzbar ist.

Andere Hersteller, wie z.B. Hyundai und Kia, setzen insbesondere auf eine sog. Vehicle-to-Load-Funktion, womit einzelne Geräte per Stecker an das Auto angeschlossen werden können, jedoch eine echte Rückspeisung der Energie in das Hausnetz nicht möglich ist. Bei anderen Herstellern ist die Funktion zum Bidirektionalen Laden vorgerüstet, jedoch meist noch nicht nutzbar

Ein gemeinsames Energiemanagementsystem

Eine weitere wichtige Voraussetzung für das bidirektionales Laden ist, dass das E-Auto-Ladesystem, die Wallbox bzw. der Stromspeicher und das Energiemanagementsystem miteinander kommunizieren. Ein kompatibles Energiemanagementsystem kann die Energieflüsse zwischen Photovoltaikanlage, Fahrzeugbatterie, Haushalt und Stromnetz anhand verfügbarer Messwerte und Einstellungen steuern. So entscheidet das Energiemanagementsystem je nach PV-Erzeugung, Strombedarf und Ladestand, ob der PV-Strom gespeichert oder eingespeist wird und ob im Haushalt Strom aus der PV-Anlage, aus der Batterie oder aus dem Netz genutzt wird.

Internationale Norm für bidirektionales Laden

Im April 2023 wurde der internationale Standard ISO 15118-20 für bidirektionales Laden veröffentlicht. Die Norm regelt die Kommunikation zwischen E-Auto und bidirektionaler Wallbox. Die Norm schafft eine technische Grundlage für die Kommunikation zwischen kompatiblen Fahrzeugen und Ladeeinrichtungen. Eine Herausforderung bleibt allerdings die Kompatibilität zwischen E-Autos, Wallboxen und Energiemanagementsystemen. Die Produkte unterschiedlicher Hersteller sind häufig noch nicht miteinander kompatibel. Daher gibt es für E-Auto-Fahrer*innen oft nur eingeschränkte Möglichkeiten, das bidirektionale Laden zuhause zu nutzen.
 

Was sind die Vorteile von bidirektionalem Laden?

Flexibilität

Bidirektionales Laden ermöglicht es, selbst erzeugten Solarstrom flexibler zu nutzen. Bei einem zeitvariablen Tarif kann das Fahrzeug zu Zeiten niedrigerer Preise geladen und der gespeicherte Strom später genutzt werden. Ob dadurch Kosten sinken, hängt von Tarif, Preisverlauf, Ladeverlusten und Nutzungsverhalten ab.

Mögliche Auswirkungen auf die Stromkosten 

Direkt genutzter oder zwischengespeicherter PV-Strom kann den Netzbezug verringern. Ob und in welcher Höhe Kosten eingespart werden, hängt von Erzeugungskosten, Speicherverlusten, Stromtarif, Investitionskosten und Eigenverbrauch ab.

Mögliche Auswirkungen auf die Investitionskosten 

Wenn ein kompatibles Fahrzeug bereits vorhanden ist und die Fahrzeugbatterie den gewünschten Funktionsumfang abdeckt, kann ein zusätzlicher Heimspeicher unter Umständen entbehrlich sein. Kosten für bidirektionale Ladehardware, Installation und Steuerung bleiben zu berücksichtigen. Allerdings bietet das E-Auto als Stromspeicher auch nicht alle Funktionen eines stationären Speichers, wie etwa ein Heim-Energiemanagementsystem (HEMS). Ob eine Fahrzeugbatterie einen Heimspeicher ergänzen oder teilweise ersetzen kann, hängt vom gewünschten Funktionsumfang, den Standzeiten des Fahrzeugs und der technischen Systemauslegung ab.
 

Mehr Speicherkapazität 

PV-Anlagenbesitzer*innen, die schon einen Stromspeicher zuhause haben, können mit dem bidirektionalen Laden zusätzlichen Solarstrom speichern, auch wenn der Batteriespeicher schon vollgeladen ist. Das ist dann möglich, wenn das Auto bei schönem Wetter angeschlossen am Haus steht und die Energie nicht zum Fahren benötigt wird.

Auswirkungen auf Eigenverbrauch und Netzbezug 

Durch die Zwischenspeicherung kann sich der Anteil des selbst genutzten PV-Stroms erhöhen. Die Treibhausgaswirkung hängt unter anderem von Stromquelle, Ladeverlusten, zusätzlicher Batterienutzung und betrachteten Systemgrenzen ab.

Netzstabilität 

Die Erträge aus erneuerbaren Energien schwanken stark, weil auch Sonne und Wind je nach Jahres- und Tageszeit unterschiedlich stark sind. Die Mengen an Solarstrom, die an sonnenreichen Tagen mittags ins Netz eingespeist werden, steigen mit der wachsenden Zahl an Photovoltaikanlagen immer weiter an. Netzdienlich gesteuertes bidirektionales Laden kann Lastspitzen und Einspeisespitzen reduzieren. Ob das Stromnetz tatsächlich entlastet wird, hängt von Steuerung, Verfügbarkeit der Fahrzeuge, Netzsituation und regulatorischer Einbindung ab.

Anwendungsbeispiele für bidirektionales Laden

Bidirektionales Laden kann auf unterschiedliche Weise genutzt werden. Je nach E-Auto-Hersteller kann der Strom aus der Autobatterie genutzt werden, um einzelne Geräte mit Strom zu versorgen (V2D), um den Haushalt zu versorgen (V2H) oder um ins Netz eingespeist zu werden (V2G).

Vehicle-to-Device (V2D)

Vehicle-to-Load ist bei einzelnen Fahrzeugmodellen verfügbar und ermöglicht die Versorgung externer Geräte über einen dafür vorgesehenen Anschluss. Im Grunde handelt es sich um eine ins Fahrzeug integrierte Haushaltssteckdose, die Wechselstrom ausgibt, um einzelne Geräte zu versorgen. V2D ist die einfachste Form des bidirektionalen Ladens und wird unabhängig vom Eigenheim und/oder einer Solaranlage genutzt.

Vehicle-to-Home (V2H)

Vehicle-to-Home ist als Variante für PV-Anlagenbesitzer*innen mit einer eigenen Wallbox interessant. Wenn das Fahrzeug zuhause an eine kompatible Wallbox angeschlossen ist, kann das System – abhängig von Einstellungen und Ladestand – Energie aufnehmen oder für den Haushalt bereitstellen. Erzeugt die Solaranlage auf dem Dach einen Überschuss, wird die E-Auto-Batterie geladen (PV-Überschussladen). Reicht der Solarertrag nicht aus, um den Haushalt zu versorgen, greift das System über die Wallbox auf den Strom aus der Autobatterie zurück. Ein definierter Mindestladestand kann die Entladung begrenzen. Die verbleibende Reichweite hängt vom eingestellten Wert, Fahrzeugverbrauch und aktuellen Betriebsbedingungen ab. Damit V2H funktioniert, müssen alle Komponenten in einem intelligenten Heim-Energiemanagementsystem (HEMS) verknüpft sein.

Vehicle-to-Grid (V2G)

Systeme, die V2G unterstützen, können den Strom aus der E-Auto-Batterie nicht nur ins Hausstromnetz, sondern auch in das öffentliche Stromnetz einspeisen. Voraussetzung dafür ist ein intelligenter Stromzähler, der genau misst, wann wie viel Strom eingespeist wird. V2G ist besonders interessant für zwei Gruppen: Haushalte mit PV-Anlage und Direktvermarktung und Haushalte, die einen dynamischen Stromtarif nutzen.

• PV-Direktvermarktung: Das System kann die Einspeisung zeitlich an Marktpreise koppeln. Ob höhere Erlöse entstehen, hängt von Preisverlauf, Vermarktungskosten, Verlusten, Verfügbarkeit und vertraglichen Bedingungen ab. Erfahren Sie hier mehr zum Thema PV-Direktvermarktung.
   
• Dynamischer Stromtarif: Die Batterie kann abhängig von Tarif, Steuerung und Fahrzeugverfügbarkeit zu Zeiten niedrigerer Preise geladen werden. Eine Kostenersparnis ist wegen Ladeverlusten, Preisentwicklung und möglichen Entgelten nicht garantiert.. Erfahren Sie hier mehr zum Thema variable und dynamische Stromtarife.
   

Gibt es auch Kritik am bidirektionalen Laden?

Bidirektional nutzbare Fahrzeugbatterien können netzdienliche Flexibilität bereitstellen. Die tatsächliche Wirkung hängt von Steuerung, Teilnahmeumfang und lokaler Netzsituation ab. Dennoch ist es noch ein weiter Weg, bis bidirektionales Laden flächendeckend und effizient umgesetzt werden kann. Ein Großteil der Elektroautos ist bisher technisch noch nicht für das bidirektionale Laden ausgestattet – hier müssen die Hersteller nachbessern.

Ein weiterer Kritikpunkt sind die Umwandlungsverluste: Bei der Umwandlung zwischen Wechsel- und Gleichstrom entstehen Verluste. Ihre Höhe hängt von Fahrzeug, Ladeeinrichtung, Leistungspunkt und Ladezyklus ab. Kleinere finanzielle Vorteile durch das Speichern von günstigem Strom in der Batterie könnten sich damit derzeit wieder relativieren.

Zusätzliche Ladezyklen können die Batteriealterung beeinflussen. Herstellerfreigaben, Garantiebedingungen und die jeweilige Steuerungsstrategie sind für die konkrete Nutzung maßgeblich. Zudem ist bisher bei vielen Herstellern die Gewährleistung ungeklärt, wenn die Batterie nicht nur zum Fahren, sondern auch zur Haushaltsstromversorgung genutzt wird. 

Wichtig zu bedenken ist auch: Das E-Auto muss natürlich auch zu Hause stehen, wenn die Sonne scheint und dann, wenn die im Auto gespeicherte Energie zu Hause verwendet werden soll. Praktisch sind aber viele E-Autos gar nicht ganztägig angeschlossen. Und neben der Traktionsenergie muss erst einmal ausreichend überschüssige Energie geladen werden, um das Haus damit nachts auch zuverlässig zu versorgen. Schließlich ist das E-Auto in erster Linie immer noch ein Fortbewegungsmittel.
 

Ausblick: bidirektionales Laden in der Zukunft

Bidirektionales Laden ist eine von mehreren Möglichkeiten, flexible Speicherkapazität bereitzustellen. Seine künftige Verbreitung hängt von kompatiblen Fahrzeugen, Ladeinfrastruktur, Kosten, Normen und regulatorischen Rahmenbedingungen ab. Aktuell wird in unterschiedlichen Projekten auf der ganzen Welt geforscht, wie man bidirektionale E-Autos sinnvoll und effizient in das Energiesystem einbinden kann.

So gibt es ein Projekt der Forschungsstelle für Energiewirtschaft (FfE), das unter anderem die Erlöspotenziale, die möglichen Netzbelastungen sowie die Bedeutung intelligenter Messsysteme erforscht. Die Fraunhofer-Gesellschaft hat das Projekt i-rEzEPT (Intelligente rückspeisefähige Elektrofahrzeuge zur Eigenstrommaximierung und Primärregelleistungsmarkt-Teilnahme) ins Leben gerufen. In Feldtests werden E-Autos sowohl mit Stromnetzen als auch mit Ein- und Mehrfamilienhäusern gekoppelt, um mögliche Potenziale aufzuzeigen. Wann bidirektionales Laden breiter verfügbar sein wird, ist derzeit offen. Die Technologie kann die Integration variabler Stromerzeugung unterstützen; ihre tatsächliche Emissionswirkung hängt vom eingesetzten Strom, den Systemverlusten und der Nutzung ab.