ETH-Studie: Eigene Solaranlage liefert bis zu 90 Prozent des Stroms fürs Elektroauto

Martin Jungfer

28.1.2022

Wer ein Elektroauto besitzt und gleichzeitig eine Solaranlage auf dem Dach des Eigenheims hat, kann gemäss einer Studie der ETH die Akkus im Fahrzeug weitgehend mit eigenem Solarstrom laden – und das Auto dabei wie gewohnt nutzen.

Die Zulassungszahlen elektrisch angetriebener Autos steigen rasant. Gleichzeitig wächst die Sorge um die Sicherheit der Stromversorgung in der Schweiz. Beides hängt nur bedingt zusammen, wird aber in der öffentlichen Diskussion oft vermischt. Gerade, wer Elektroautos kritisch gegenüber steht, ist empfänglich für halbseidene Argumente. Wie wäre es dann, wenn der Strom für die elektrische Autoflotte von der Photovoltaik-Anlage auf dem Dach des eigenen Hauses kommt – zumindest für die Glücklichen, die ein Eigenheim haben? Welchen Anteil des Strombedarfs eines E-Autos könnte man so decken? Dieser Frage ist ein Team der ETH Zürich nachgegangen und hat jetzt die Ergebnisse einer Studie veröffentlicht.

«Viele überschätzen den Strombedarf für Mobilität», sagt Henry Martin, der als Doktorand an der Studie beteiligt ist. Und es ist einfacher als gedacht, einen hohen Anteil des Energiebedarfs für Tesla, ID.3 und Co. selbst zu decken. Den Ausbau der Photovoltaik hält er deshalb für den «richtigen Weg». Die Incentives dafür könnten seiner Ansicht deshalb gerne noch höher sein. Vielleicht liefern die Studienergebnisse der Politik einen weiteren Anstoss.

Martin Raubal, Professor für Geoinformations-Engineering an der ETH Zürich, und sein Forschungsteam wollten in der Studie konkret herausfinden, wie viel eigener Solarstrom in das Auto geladen werden kann, ohne dass darunter Komfort oder Flexibilität leiden. Viele hätten genau die Befürchtung, dass das Laden mit Solarstrom die Nutzung des Elektroautos einschränkt: «Wie soll ich mein Elektromobil nutzen, wenn es über den Tag bei Sonnenschein an die Ladestation muss?», lautet eine weit verbreitete Meinung.

Die Erkenntnis der ETH-Forschenden ist eine Entwarnung: Photovoltaik aus einer Anlage auf dem Dach kann über 90 Prozent des Stromverbrauchs des Fahrzeugs decken. Und das allein durch minimale Anpassungen des Ladevorgangs. Und sogar ohne einen Akku im Haus, der überschüssige Energie zwischenspeichert.

Elektroauto-Fahrer mit virtueller Solaranlage

Wie sind die Forscher zu diesem Studienergebnis gekommen? Sie haben als Basis das Nutzungsverhalten von 78 Personen mit Elektroauto untersucht. Diese waren Teilnehmer des Projekts «SBB Green Class». Sie haben einen Aufpreis zu einem Generalabonnement (GA) bezahlt und dafür zusätzlich ein Elektroauto inklusive Ladestation zur Montage am Eigenheim erhalten. Die ETH erhielt Informationen, wann das Elektroauto genutzt wurde, wann es ungenutzt zu Hause stand und wann es in dieser Zeit mit welcher Leistung und bis zu welchem Akkustand geladen wurde. Diese 78 Personen sind, das sagen auch die Studien-Verantwortlichen, nicht repräsentativ für die gesamte Schweiz. Diese Personen haben eher häufiger und für längere Strecken als der Durchschnitt ihr Fahrzeug benutzt.

Der Datensatz der 78 Haushalte ermöglichte aber, dass eine Reihe von theoretischen Szenarien durchgespielt werden konnte. Zunächst bekamen die Elektroautofahrer eine virtuelle Solaranlage aufs Dach installiert. Die Forscher berechneten die potenzielle Leistung der Anlage anhand der Grösse des Dachs und der Wetterdaten am Standort. In der Realität hatten die «Green Class»-Teilnehmer die Elektroautos per Netzstrom geladen.

Im nächsten Schritt wurden die Zeiten übereinander gelegt, in denen auf der einen Seite das Elektroauto zu Hause und an der Ladestation angeschlossen war und auf der anderen Seite die virtuelle Solaranlage Strom lieferte. In diesem Basisszenario wurden im Durchschnitt 15 Prozent des benötigten Stroms fürs Laden des Elektroautos durch die Solaranlage gewonnen. «Der Wert ist so tief, weil verschiedene Faktoren nicht optimiert sind», erklären Professor Raubal und Doktorand Henry Martin. Das Elektroauto wurde nicht immer an der Ladestation angesteckt, zu falschen Zeiten geladen oder mit zu hoher Leistung zu falschen Zeitpunkten.

Smarte Ladestation bringen Solarstrom ins Auto

In einem zweiten Szenario – wie alle rein auf der Basis der Daten virtuell errechnet – ging es darum, klüger zu laden, ohne dass dabei in die Nutzung des Elektroautos eingegriffen wurde. Dafür setzten die Forschenden auf sogenanntes Smart Charging. Sie simulierten, dass der Akku des Elektroautos vorzugsweise dann geladen wird, wenn Solarstrom vom Dach zur Verfügung steht. Diese Intelligenz beherrschen inzwischen fast alle Elektroauto-Ladestationen. Und die Steuerung ist über einfache Software-Lösungen wie den im Aargau entwickelten Solarmanager problemlos möglich.

Die smarte Ladestation erhöhte den Prozentanteil von Solarstrom fürs Laden in der Studie von 15 auf 56 Prozent. «Der hohe Anteil hat uns überrascht», sagt Doktorand Martin. Und er ergänzt: «Smart-​Charging kann den Eigenverbrauch von Solarstrom markant erhöhen – und das Fahrzeug lässt sich gleich flexibel nutzen, als würde es mit Netzstrom geladen.»

Was passiert, wenn sich weitere Parameter ändern, zeigte ein drittes Szenario. In diesem erlaubten die Forscher es der Ladestation, das Auto nicht immer vollzuladen, sondern zum Beispiel nur zu 60 oder 80 Prozent, oder auch passend zu den überhaupt benötigten Reichweiten des Nutzers. Und sie liessen die Ladestation auch einmal abwarten, bevor das Laden beginnen durfte, zum Beispiel, bis die Sonne entsprechend viel Energie über die Solarzellen lieferte. Damit waren im Jahresdurchschnitt 90 Prozent des Strombedarfs fürs Elektroauto durch die Solarenergie zu decken. Auch hier hätten die Fahrerinnen und Fahrer des Autos keinerlei Einschränkungen erlebt.

Elektroautos könnten auch zu 100 Prozent mit Solarstrom «betankt» werden. Und zwar dann, wenn zu einer Photovoltaik-Anlage zusätzlich ein Stromspeicher eingebaut ist, in dem überschüssiger Strom gepuffert wird. Die ETH-​Forscher sehen Zwischenspeicher indes zwiespältig: Der Eigenverbrauch von Solarstrom aus der Photovoltaik-Anlage lasse sich damit zwar noch ein wenig steigern. Die Nachhaltigkeitsbilanz des gesamten Ladesystems wird allerdings durch den Umstand getrübt, dass die Herstellung von Stromspeichern relevante CO2-​Mengen verursacht, heisst es in einer Medienmitteilung. Auch wirtschaftlich lohnen sich solche Stromspeicher für die meisten Personen nicht. Sie sind in der Anschaffung und Installation teuer und der Strompreis ist – vor allem in der Schweiz – vergleichsweise niedrig.

Grosses Potenzial dank intelligenter Algorithmen

Viel mehr Potenzial sieht Professor Raubal ohnehin darin, die Möglichkeiten des Smart Charging auszubauen. An seinem Lehrstuhl werden Strategien des maschinellen Lernens entwickelt, die das Ziel haben, Solarertrag und Nutzungsverhalten möglichst genau vorherzusagen. Zu Dingen wie einer Überschusssteuerung, die das Auto nur dann lädt, wenn Solarstrom zur Verfügung steht, könnten dann weitere Daten kommen, erklärt Raubal. Es wäre zum Beispiel hilfreich, den persönlichen Kalender zu integrieren, sagt er. Wenn dieser Informationen liefert, wann die Fahrt ins Büro ansteht oder der Ausflug in die Berge, könnte die Ladestation passend zu Zeitpunkt und Länge der anstehenden Fahrt den Akku des Autos laden. Ein relevanter Input ist auch, ob am Ziel der Autofahrt, zum Beispiel im Parkhaus des Büros, womöglich auch eine Ladestation zur Verfügung steht.

Raubal forscht derzeit in Singapur. Dort dürfen bereits ab 2030 nur noch vollelektrisch angetriebene Autos verkauft werden, und ab 2040 dürfen auch nur noch solche auf den Strassen unterwegs sein. Die EU gibt der Industrie und den Käuferinnen und Käufern beim Verkauf von Verbrennern noch eine etwas längere Schonfrist bis 2035. In der Schweiz gibt es noch keine Festlegung auf ein Datum.

Unabhängig von einer Jahreszahl scheint der Trend derzeit aber eindeutig zu sein. Elektrisch angetriebene Fahrzeuge stürmen in den Verkaufscharts nach oben. Eigenheimbesitzer, die bereits heute oder in den nächsten Jahren ein Elektroauto fahren, haben mit der Möglichkeit einer Solaranlage auf dem eigenen Dach, eine komfortable Ausgangssituation, wie die ETH-Studie zeigt. Und sie können so zwar nicht direkt eine Stromlücke schliessen, aber doch einen Beitrag leisten zur Netzsicherheit und -stabilität.

Martin Jungfer

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Martin.Jungfer@digitecgalaxus.ch

Journalist seit 1997. Stationen in Franken, am Bodensee, in Obwalden und Nidwalden sowie in Zürich. Familienvater seit 2014. Experte für redaktionelle Organisation und Motivation. Thematische Schwerpunkte bei Nachhaltigkeit, Werkzeugen fürs Homeoffice, schönen Sachen im Haushalt, kreativen Spielzeugen und Sportartikeln. mehr

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