Normungslücken von Gleichstromanwendungen schließen – das Elektrohandwerk-Interview mit Praxisbeispielen

Vorzüge von Gleichstrom gegenüber Wechselstrom in der Industrie, im Privaten und im Stromnetz

DKE: Könnte der Gleichstrom schon bald den Wechselstrom ablösen?

Zeilmann: Die Übertragungs- und Verteilnetze sowie die meisten Gebäudeinstallationen arbeiten mit Wechselstrom. Allerdings brauchen Steuerelektronik sowie Mess- und Automatisierungstechnik in Maschinen und Anlagen Gleichstrom. Photovoltaikanlagen produzieren und Elektrofahrzeuge benötigen Gleichstrom genauso wie Batteriespeicher. Die meisten Anwendungen nutzen ebenfalls Gleichstrom vom Computer hin bis zur Beleuchtung. Hier wird der Wechselstrom aus dem Hausanschluss mit über zehn Prozent Verlust teilweise mehrmals umgewandelt.

Der Vorteil von Gleichstrom ist, dass man geringere Wandlungsverluste hat, wenn man den erzeugten Gleichstrom direkt nutzt. Zudem ist das Ziel der Sektorenkopplung, Fahrzeug- und Gebäudetechnik sowie ihre Speicher mit dem lokalen Stromnetz zu verbinden, um die Versorgungssicherheit und Netzstabilität zu gewährleisten. Da ist es effizienter, direkt mit Gleichstrom zu arbeiten.

Hierzu gibt es bereits Erfahrungen aus „DC-INDUSTRIE“ und Praxisprojekten wie die NExT Factory. Wir haben anders als beim Wechselstrom keine Blindleistung und Asymmetrie. Wir arbeiten mit Spannungen im Bereich von 600 bis 800 Volt. Die Leitungen kommen mit weniger Kupfer aus als bei 230 oder 400 Volt Wechselstrom. Das sind unschlagbare Vorteile.

Der einzige Nachteil ist im Moment, das sich Gleichstromanwendungen noch nicht in der Serie durchgesetzt haben und es am Markt zu wenig zugelassene Komponenten gibt. Deshalb sind die Kosten im Moment höher als für Wechselstromanwendungen.

Gleichstrom: Anwendungen in Industrie & Privatwirtschaft

Ohne Strom steht die Welt still, egal mit welcher Stromart das moderne Leben elektrifiziert ist.

Aufgrund des technologischen Fortschritts und wesentlicher Vorteile gegenüber Wechselstrom, nimmt die Bedeutung für Gleichstromanwendungen, über zahlreiche Branchen hinweg, immer weiter zu.

Für die Normung ergeben sich daraus neue Herausforderungen – vor allem im Hinblick auf vorhandene und neue Schutzkonzepte.

Lücken zwischen Bedarf und Praxis schließen durch Normung

DKE: Welche Rolle spielen Normen bei der Etablierung von Gleichstromanwendungen?

Zeilmann: Zunächst definiert die Grundnorm zur Errichtung von elektrischen Anlagen DIN VDE 0100 für Niederspannungsanwendungen sowohl den Spannungsbereich für Wechselstrom bis 1.000 Volt als auch für Gleichstrom bis 1.500 Volt. Im Bereich der Elektromobilität regelt beispielsweise die IEC 61851 in Teil 1 die Allgemeinen Anforderungen zum kabelgebundenen Laden und Teil 23 das Laden mit Gleichstrom.

Um Bidirektionales (BiDi) Laden in der Praxis interoperabel, also die Ladefähigkeit jedes BiDi-fähige E-Fahrzeug an den meisten BiDi-Ladeeinrichtung, zu machen, liegen noch große Standardisierungsaufgaben vor uns. Ebenso fehlt es bei Gleichstrominstallationen in Gebäuden an Erfahrungswerten und Anpassungsbedarf bei Installations- und Produktnormen. Wir brauchen jedoch auch Kommunikationsstandards für den Informationsaustausch zwischen den Geräten und Sektoren.

Durch fehlende Harmonisierung treffen wir in der Praxis auf eine Vielzahl von Schnittstellen und Datenprotokollen, die zum Teil herstellergebunden oder nicht international genormt und anerkannt sind. Als Beispiele hierfür möchte ich das OCPP (Open Charge Point Protokoll) nennen, das zwar in Europa als Standard für die Backend-Einbindung und Abrechnung von Ladestrom verwendet wird, jedoch nicht mit dem Internationalen Standard IEC 63110 kompatibel ist.

Handwerk liefert notwendige Praxiserfahrungen bei Normungsfragen

DKE: Warum engagieren Sie sich als Geschäftsführer eines Handwerksbetriebs in der Normung?

Zeilmann: Als ich vor sieben Jahren Obermeister meiner Innung wurde, war ich automatisch auch mit meinem Zentralverband der Deutschen Elektro- und Informationstechnischen Handwerke (ZVEH) enger verbunden. Durch eigene Forschungs- und Entwicklungsprojekte kam ich immer tiefer mit Normungsfragen in Kontakt. Vor vier Jahren wurde ich dann von ZVEH in die VDE FNN Projektgruppe „Netzintegration Elektromobilität“ berufen. Im weiteren Verlauf erhielt ich eine Anfrage, ob ich mich bei Normungsgremien für die Elektromobilität im DKE/K 353 einbringen wolle. Das Handwerk kann hier sein wertvolles Praxiswissen beisteuern, weil wir die Installationen vor Ort durchführen und für die Sicherheit der elektrischen Anlagen Normen benötigen.

Sicherheit und Qualitätsversprechen fürs Handwerk durch Normung

DKE: Wie genau profitiert das Handwerk von Normen bei Installation und Inbetriebnahme von elektrischen Anlagen?

Zeilmann: Nehmen sie das Beispiel Ladestationen und Gebäudeinstallationen wie Photovoltaik sowie Batteriespeicher und der künftigen Chance des bi-direktionalen Ladens. Wenn wir als Handwerk keine gemeinsamen Standards für die Installation, die Inbetriebnahme sowie die Dokumentation unserer Lösungen haben, können wir für die technische Sicherheit nicht garantieren; zudem würde es in der Ausführung große Qualitätsunterschiede geben. Würden sich die Hersteller der Geräte nicht an die Produktnormen halten und die Komponenten mit eigenen Schnittstellen ausstatten, wäre eine standardisierte Planung und Projektierung kaum möglich.

Die Errichter müssten sich auf wenige Produkte spezialisieren, um die Installation und Inbetriebnahme durchführen sowie Support und Kundendienst leisten zu können. Interoperabilität funktioniert nur, wenn wir die Anlage auch mit Komponenten verschiedener Hersteller nach den allgemein anerkannten Regeln der Technik installieren und in Betrieb nehmen können. Gemäß § 49 EnWG wird vermutet, dass bei Anwendung der VDE Normen die „allgemein Anerkannten Regeln der Technik“ eingehalten werden. Für die Errichtung und den Betrieb von elektrischen Anlagen sind daher die VDE-Normen eine Absicherung für unser Handwerk.

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Handwerk als Umsetzer für die Sektorenkopplung

DKE: Was bedeutet das für die Sektorenkopplung?

Zeilmann: Für die Sektorenkoppelung müssen die Fahrzeuge mit Ladestationen, der Haustechnik mit Batteriespeichern, dem lokalen Stromnetz bis hin zur Wärmepumpe kommunizieren können. Bisher wurden die Daten in den Sektoren isoliert und nicht übergreifend ausgetauscht. Um Energie effizient zu nutzen, vor allem wenn Sie ausreichend zur Verfügung steht oder auch um bei Netzengpässen reagieren zu können, braucht es eine übergreifende Kommunikation zwischen Stromnetz, Gebäudetechnik und Verkehrssektor.

Durch die Normung werden digitale Prozesse hersteller- und produktübergreifend vereinfacht. So wird es möglich Sensoren und Aktoren mit dem Energiemanagement per Plug&Play zu vernetzen und zugleich mittels Zertifikatsaustausch und Kryptographischer Verschlüsselung die gesetzlichen Cyper-Sicherheitsanforderungen einzuhalten.

Mehr als nur Installation und Inbetriebnahme

DKE: Geben Sie uns ein Beispiel, welcher Normungsbedarf sich abzeichnet?

Zeilmann: Nehmen sie den Anwendungsfall DC-Ladeeinrichtung für Elektromobilität. Bei Anmeldung und Inbetriebsetzung der Ladeeinrichtung unterschreibt der Elektrofachbetrieb beim lokalen Netzbetreiber, dass er die Anlage nach den „allgemein Anerkannten Regeln der Technik“ installiert und In Betrieb genommen hat. Um die technische Sicherheit zu gewährleisten und zu dokumentieren, muss die Erstprüfung nach DIN VDE 100-600 durchgeführt werden. Zudem sollte regelmäßig eine Wiederholungsprüfung gemäß DIN VDE 0105-100 stattfinden.

Bei Gleichstromanwendungen und Geräten von Herstellern, die die Produktnormen nicht 1:1 anwenden, ist es nicht möglich die Schutzmaßnahmen normgerecht mit Messgeräten nach VDE 0413-10 zu prüfen. Bei Ladeeinrichtungen braucht man zudem immer einen Fahrzeugsimulator um den Ladevorgang starten und die Messungen ausführen zu können. Bei der High-Level-Kommunikation nach ISO 15118 gibt es nur begrenzt Simulatoren am Markt. Deshalb ist es gerade hier wichtig, neue Messmethoden in die Normung aufzunehmen.

Viele Akteure für Steuerung und Abrechnung am Netzanschluss

DKE: Warum sind einheitliche Kommunikationsstandards für Schnittstellen so wichtig?

Zeilmann: Eine Netzorientierte Steuerung, wie sie ab dem 01. Januar 2024 gemäß §14a EnWG beim Einbau von Steuerbaren Verbrauchseinrichtungen gefordert wird, erfordert eine sektorenübergreifende Kommunikation mit Ladeeinrichtungen für E-Fahrzeuge, der Haustechnik mit Batteriespeichern bis hin zur Wärmepumpe. Durch die Normung werden digitale Prozesse hersteller- und produktübergreifend vereinfacht. So wird es möglich Geräte, Sensoren und Aktoren mit dem Energiemanagement per Plug and Play zu vernetzen und zugleich mittels Zertifikatsaustausch und Kryptographischer Verschlüsselung die gesetzlichen Cyber-Sicherheitsanforderungen nach BSI TR-03109-5 einzuhalten.

Im VDE FNN arbeiten Netzbetreiber, Industrie, Wissenschaft, Handwerk und die Automobilindustrie zusammen, um die Netzintegration der E-Mobilität voranzubringen. Der Netzbetreiber möchte für die Netzstabilität die Speicher und Steuerbare Verbraucher stufenlos steuern können, wozu er nach §14a EnWG auch berechtigt ist. Dafür muss aber auch ein intelligentes Messystem mit dem Smartmeter Gateway zum Einsatz kommen.

Für die bi-direktionalen Energieflüsse braucht es einen Zweirichtungszähler am Netzanschluss. Die Abrechnung von Ladestrom innerhalb der Ladeeinrichtung wird über MID-zertifizierte Energiezähler (Measuring Instrument Directive) eichrechtskonform umgesetzt. Dieser Messwert wird unter Berücksichtigung der Verluste der Messzelle an das Backend des Abrechnungsdienstleister weitergeleitet. Bisher gibt es jedoch nur ein pauschaliertes Abrechnungsverfahren für das Einrichtungsladen.

Zudem sind eichrechtliche und steuerrechtliche Fragen beim bi-direktionalen Laden bisher ungeklärt. Bei der Datenübertragung zum Messstellenbetreiber fordert beispielsweise das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik in der Technischen Richtlinie BSI TR-03109-1 eine Verschlüsselung bei dem Datenaustausch über Smart Meter Gateway. Der Rollout hierfür ist gerade im Anlauf.

Ein weiteres Hindernis ist, dass sich die Automobilindustrie bei ihren Kommunikationsschnittstellen auch nicht in die Karten schauen lässt. Es gibt bisher keine Angaben, welches E-Fahrzeug bei der Kommunikation mit dem Ladepunkt welches genormte Protokoll unterstützt.

Bidirektionales Laden: Energiewende mit E-Fahrzeug-Akkus ermöglichen

Einer Überproduktion von erneuerbarer Energie an sonnen- und windreichen Tagen steht eine Unterversorgung des Energienetzes mit Erneuerbaren Energien an bewölkten und windstillen Tagen entgegen. Die Technologie des bidirektionalen Ladens könnte eine Möglichkeit sein, dieses Problem partiell zu lösen und für Stabilität im Stromnetz zu sorgen.

Logdateien für Diagnose, Instandhaltung und Reparaturarbeiten

DKE: Wo bestehen aus Ihrer Sicht die größten Herausforderungen bei Kommunikationsschnittstellen, die nicht genormt sind und welche Lösungswege sehen Sie?

Zeilmann: Das Handwerk braucht bei allen Geräten standardisierte Kommunikationsprotokolle bei der Installation und für die Prüfung. Heute kann es passieren, dass wir Komponenten von verschiedenen Herstellern in einer Installation einsetzen, die sich untereinander oder miteinander unterhalten müssen. Ohne gemeinsame Kommunikationsprotokolle können wir keine Diagnose, Instandhaltung oder Reparaturarbeiten durchführen. Wir haben keinerlei Werkzeuge, um Fehleranalysen durchzuführen und dafür auch Logdateien auszulesen. Wenn es nicht funktioniert, stehen wir da und sind blind. Es ist wie bei den Automobilherstellern: Ohne das spezielle Diagnosegerät können die Werkstätten den Fehler in einem Fahrzeug nicht finden.

So wie die Hersteller ihre Automodelle unterschiedlich auslegen, braucht man als freie Werkstatt unzählige und teure Messsysteme. Da wir im Elektrohandwerk und bei Gleichstromanwendungen so viele Produkte unterschiedlicher Hersteller im Einsatz haben, können wir nicht für jede Komponente eigene Mess- und Prüfgeräte anschaffen, um die Systeme instand zu setzen und auch in Betrieb zu nehmen. Hier brauchen wir neue Standardisierung für die Anwendung und die Überwachung der Prozesse. Und die müssen in den Normen beschrieben werden.

Unterschiedliche Interessenslage bei Vollsortimenter und Mittelstand

DKE: Warum engagiert sich die Industrie nicht mehr bei der Normung von Kommunikationsschnittstellen?

Zeilmann: Die Hersteller haben unterschiedliche Interessen. Die Vollsortimenter, die also alle Module für solche Anwendungen anbieten, wollen ihre eigenen Standards durchsetzen. Ihre Geräte können untereinander kommunizieren. Die haben kein Interesse, dass sich ihre Komponenten mit denen anderer Hersteller austauschen können. Andere Hersteller hingegen, die häufig als Mittelständler nur einzelne Module wie beispielsweise lediglich Ladestationen anbieten, haben jedoch das Interesse an gemeinsamen Kommunikationsschnittstellen. Und die arbeiten auch mit an neuen Normen.

Förderung der Normung als zukunftsweisende Lösungsmöglichkeit 

DKE: Wer ist jetzt gefragt? Die Normung oder muss der Gesetzgeber sagen: Einigt euch auf gemeinsame Standards?

Zeilmann: Eigentlich sollte es das gemeinsame Ziel der Politik und der Wirtschaft sein, die Kompatibilität der Geräte untereinander auch international zu standardisieren, weil es den Wettbewerb fördert. Der Gesetzgeber könnte beispielsweise bei der Forschungsförderung festlegen, dass sich die Beteiligten neben der Entwicklung von Innovationen parallel auch bei der Normung einbringen müssten. Über diesen Hebel könnten sich die Normung beschleunigen und auch das Engagement der Industrie steigern lassen.

DKE: Wie sehen Sie die Zukunft des bi-direktionalen Ladens?

Zeilmann: Ich gehe davon aus, dass sich das bi-direktionale Laden bis 2030 etablieren wird, wenn die Politik und die Normung zusammenarbeiten. Wir dürfen dieses Potenzial der Fahrzeugbatterien auch nicht ungenutzt lassen. Die E-Autos stehen zu 90 Prozent am Tag ungenutzt herum und fahren im Schnitt nur 45 Kilometer täglich. Wenn die Besitzer von E-Kfz und auch E-Nutzfahrzeugen wie Bussen und Lkw ihre Batterien netzdienlich bereitstellen, solange sie diese selbst nicht nutzen, wird das für die Netzstabilität in der All Electric Society ein großer Fortschritt sein.

Sie haben die Chance, selbst an der Normungsarbeit der DKE mitzuwirken und die Vorteile von Normen und Standards hautnah zu erleben, weiter zu gestalten und zu verbreiten. Sie haben eine Idee für eine neue Norm oder einen Standard oder Anregungen, wie eine bestimmte Norm verbessert beziehungsweise geändert werden könnte?

Dann machen Sie mit und stellen Sie bei uns einen Normantrag!

Normung ist Zeitaufwand, der sich lohnt

DKE: Was beschäftigt die Normungsgremien aktuell und wie hoch ist dabei ihr Zeitaufwand?

Zeilmann: Wir arbeiten im DKE/K 353 an Normen für die Elektromobilität, die das bi-direktionale Laden vollumfänglich unterstützen. Der Arbeitsaufwand über alle Gremien ist enorm. Ich wende bis zu 20 Wochenstunden und mehr für meine ehrenamtliche Tätigkeit auf, um an Sitzungen teilzunehmen, Normenänderungen aus Sichtweise des Handwerks zu kommentieren und die Protokolle der Arbeitskreise zur Kenntnis zu nehmen.

Wichtig ist, die Entwicklungsprozesse für das Handwerk im Auge zu behalten. Wir bereiten auch Erweiterungen an der ISO 15118-20 für Kommunikationsschnittstellen zwischen Fahrzeug und Stromnetz vor, die alleine einen Umfang von 500 Seiten hat. Aber ich sehe auch, dass wir an dieser zentralen Aufgabe der All Electric Society große Fortschritte machen. Es lohnt sich, der Sektorenkopplung und der Netzintegration von Elektrofahrzeugen den Weg zu bereiten.

Expertengremium DKE/K 353 Elektrostraßenfahrzeuge

Das Komitee 353 hat die Erarbeitung von Normen für elektrische Systeme, die speziell für Elektro-Straßenfahrzeuge gestaltet sind und deren Antrieb teilweise oder ausschließlich von bordinternen elektrischen Energiequellen versorgt wird, zur Aufgabe. Besonders berücksichtigt werden dabei:

• Ladesysteme und -geräte (außerhalb des Fahrzeugs)
• Verbindung zwischen Fahrzeug und externer Ladeeinrichtung (Leistung und Steuersignale)
• elektrische Sicherheit (innerhalb und außerhalb des Fahrzeugs)
• ausgewählte elektrische Probleme

National besteht eine enge Zusammenarbeit mit dem Normenausschuss Automobil (NAA). Zudem besteht ein enger Kontakt zur Nationalen Plattform Elektromobilität (NPE).

Die Elektromobilität ist eine Sprunginnovation, die ein neues, übergreifendes Systemdenken erfordert. Um die deutsche Wirtschaft erfolgreich im Bereich Mobility zu positionieren, ist es wichtig, die positiven Effekte von Normen und Standards von Beginn an in den Entwicklungsprozess einzubeziehen und damit voll auszuschöpfen. Gleiches gilt aber auch für die jüngsten Entwicklungen im Bereich der Mobilität – die Mikromobilität. Weitere Inhalte zu diesem Fachgebiet finden Sie im