Elektromobilität I

Einsatz des Transparents

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Dieses Transparent kann in der 10. Klasse zur Elektrizitätslehre in 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 des Transparents

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 Kraftfahrzeugen mit Hochvolt-Batterien gespeichert 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:
Der dargestellte Stecker ist eine Weiterentwicklung der CEEplus-Variante und wurde im Auftrag von RWE und Daimler entwickelt. Dieser VDE-Normstecker hat sich weitestgehend im europäischen Raum durchgesetzt. Er hat insgesamt 7 Kontakte (Drehstrom-Phasenleiter L1, L2, L3, Erd- und Nullleiter, sowie zwei Signalleitungen) und kann einen maximalen Ladestrom von 63 A übertragen. Der Stecker soll auf internationaler Ebene in der IEC Norm 62196 verankert werden, welche die Sicherheitsbestimmungen für den Ladevorgang vorgibt. Die Norm reglementiert dabei nicht nur die Eigenschaften des Steckers, sondern auch die des ganzen Ablaufes. Über die Signalleitung "Control-Pilot" (CP) wird in einfacher analoger Weise (durch Anlegen von Widerständen zwischen CP und Erde und daraus folgenden Spannungsabfällen) an die Ladesäule gemeldet, ob die Schutzerde überhaupt korrekt angeschlossen wurde. Darüber hinaus informiert sie über folgende Zustände:

  • 12 V: kein Fahrzeug angedockt, Ladekontakte stromlos
  • 9 V: ein Fahrzeug ist angedockt, Ladungsvorgang kann starten
  • 6 V: das angeschlossene Fahrzeug ist bereit, Ladestrom fließt
  • 3 V: es besteht wegen starker Ladung (Ausgasen der Akkuzellen) die Erfordernis zur Belüftung (gilt nur für Innenräume)
  • 12 V: Sonderfall: Fehler im System, Abbruch des Ladevorgangs

Über die Signalleitung "Proximity-Pilot" (PP) wird in ähnlicher Weise der maximal mögliche Ladestrom des angeschlossenen Fahrzeugs rückgemeldet. Der Stecker wurde im Hinblick auf eine einfache Handhabung in den Abmaßen verkleinert und auf einer Seite abgeflacht, damit ein Verpolen der Anschlüsse mechanisch ausgeschlossen ist. Die verschiedenen Lademodi werden von diesem Stecker bis Klasse 2 vollständig abgedeckt. Der Einsatz für Lademodi der Klasse 3 ist nur eingeschränkt möglich. Die beiden Signalleitungen sollen der Sicherheit dienen, indem sie beim Ladevorgang Informationen über die Ladebereitschaft und den korrekten maximalen Ladestrom liefern. Außerdem stellen sie sicher, dass im ungenutzten Zustand die Leitungen stromfrei sind und dass im aktiven Zustand eine Verriegelung aktiviert ist. Des Weiteren wird das KFZ für die Zeit des Ladevorganges deaktiviert, d. h. es kann nicht gestartet werden. Eine weitere Sicherheitsfunktion, die jedoch eher die Ladesäulen betrifft, ist eine Absicherung gegen Gefahren durch unsachgemäßen Gebrauch. Sollte zum Beispiel während des Ladevorganges versucht werden, das Ladekabel gewaltsam zu entfernen, so unterbricht die Ladesäule augenblicklich die Stromzufuhr.

Die Kopiervorlage 12 nimmt unmittelbar Bezug auf das Transparent 12. Sie erhält 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.