Schäfer, Magnus (2018)
Analyse des Stands der Technik und Entwicklungspfade der fahrzeugseitigen Energieversorgung schwerer Nutzfahrzeuge.
Technische Universität Darmstadt
Bachelorarbeit, Bibliographie

Kurzbeschreibung (Abstract)

Eine stetige Zunahme des Verkehrsaufkommens und die damit einhergehenden steigenden Emissionen durch Fahrzeuge zwingen die politischen Akteure dazu Maßnahmen zu entwickeln, um den Umweltauswirkungen dieses Wachstums entgegenzuwirken. Das eHighway Projekt ELISA kann als eine dieser Maßnahmen gewertet werden. Das Projekt beinhaltet den Bau und die Inbetriebnahme einer Teststrecke für Oberleitungs-Hybrid-LKW an der A5. Im Zuge dieses Projekts werden Forschungsfortschritte und Erfahrungen mit der neuen Technologie erwartet. Ziel der Arbeit ist es einen Überblick über den aktuellen Stand der Technik der Energieversorgung schwerer Nutzfahrzeuge zu geben. Es sollen Entwicklungspfade der unterschiedlichen Technologien herausgearbeitet werden, um eine Bewertung dieser hinsichtlich der Reichweiten zu ermöglichen. Der Streckenabschnitt zwischen Langen/Mörfelden und Darmstadt/Weiterstadt wurde für den Bau des Projekts ausgewählt, da Streckenabschnitte gewählt wurden, die repräsentativ für weitere Straßen im deutschen Verkehrsnetz gelten können. Die Fertigstellung des Baus ist für Herbst 2018 geplant. Anschließend folgt der Testbetrieb von fünf Oberleitungs-Hybrid-LKW. Der Bau des Projekts wird durch Forschungen der Technischen Universität Darmstadt betreut und es wird eine Fortsetzung der Forschung für den Testbetrieb erwartet. Das Projekt ist nicht das erst, das sich mit der Elektrifizierung des Schwerverkehrs beschäftigt, jedoch in Deutschland das erste, das eine Testung der Fahrzeuge auf öffentlich Straßen vorsieht. Zu beginn der Arbeit werden die Gewichte und Maße von Nutzfahrzeugen dargestellt, um die folgende Kategorisierung der Fahrzeuge zu ermöglichen. Bei der Kategorisierung der Fahrzeuge macht es Sinn, bestimmte Fahrzeuggewichte bestimmten Fahrprofilen zuzuordnen. Die Nutzfahrzeuge lassen sich vor dem Hintergrund in drei Kategorien aufteilen. Die Fahrzeuggruppe N1 sind Fahrzeuge bis maximal 3,5 Tonnen, die hauptsächlich im Nahverkehr verwendet werden. Die Nutzfahrzeuge der Klasse N2 bestehen aus Fahrzeugen im Regional- und Lieferverkehr deren Fahrzeuggesamtgewicht zwölf Tonnen nicht überschreitet und deren Fahrtenlängen in einem Bereich von 51 bis 150 Kilometern angenommen wird. Die für diese Arbeit zu betrachtende relevante Fahrzeuggruppe sind die Nutzfahrzeuge mit einem Fahrzeuggesamtgewicht größer als zwölf Tonnen, die überwiegend im Regional- und Fernverkehr eingesetzt werden. Diese Fahrzeuge können Kategorie N3 zugeordnet werden. Innerhalb dieser Fahrzeugkategorie sind die Sattelzugmaschinen hervorzuheben, die durch hohe Fahrleistungen und damit einhergehenden hohen Transportleistungen die relevanteste Gruppe der zu betrachtenden NFZ darstellen. Obwohl die Anzahl der Fahrzeuge in Kategorie N3 innerhalb der Nutzfahrzeuge im Vergleich zu leichteren Nutzfahrzeugen relativ gering ist, erbringt der Fernverkehr 67% der Transportleistung. Es gilt festzuhalten, dass alternative Antriebe stärkere Wachstumsraten zu verzeichnen haben als herkömmliche Antriebe. Im weiteren Vorgehen wird der aktuelle Stand der Technik der Antriebstechnologien und ihrer Energieversorgung erläutert. Zunächst werden die unterschiedlichen Energiespeicher und Möglichkeiten der Energieversorgung von Fahrzeugen aufgeführt und erläutert. Hinsichtlich der Reichweiten der Fahrzeuge stellen Energie- und Leistungsdichte der Energiespeicher die wichtigsten Anforderungen dar. Kondensatoren besitzen hohe Leistungsdichten jedoch geringe Energiedichten und sind daher nicht als Hauptenergiequelle, sondern nur in Kombination mit weiteren Energiequellen zur fahrzeugseitigen Energieversorgung geeignet. Aufgrund ihrer Eigenschaften eigenen diese sich gut für Bremskraftrückgewinnung und Hybridsysteme. Schwungradspeicher stellen im Bereich des Fernverkehrs keine geeignete Energiequelle dar, da sich diese nur bei vielseitiger Topologie oder urbanem Fahrprofil rentieren. Wenngleich in weiter Literatur und in dieser Arbeit oft von Fahrzeugbatterien die Rede ist, sind dennoch wiederaufladbare Akkumulatoren gemeint. Für NFZ gelten verschärfte Anforderungen an die Batterien verglichen mit Batterien elektrischer PKW, da diese einer wesentlich intensiveren Beanspruchung ausgesetzt sind und höhere Leistungen erbringen müssen. Die Eigenschaften von Batterien hängen vom Einsatz der Materialien sowie vom Aufbau der Zellen ab. Je empfindlicher eine Batterie, desto notwendiger ist ein Batteriemanagement, dass verschiedene Faktoren überwacht und steuert, um die Sicherheit und Lebensdauer einer Batterie zu gewährleisten. Nach derzeitigem Entwicklungsstand scheinen Lithium-Ionen-Batterien vielversprechende Entwicklungspotentiale zu besitzen. Diese zeichnen sich durch hohe Energiedichten aus und sind daher für den Einsatz in Fahrzeugen geeignet. Es ist zukünftig von einer Verdopplung der Kapazitäten bei gleichbleibendem Gewicht auszugehen. Es existieren weitere Batteriekonzepte, die sich derzeit noch in der Entwicklungsphase befinden, die die Beladungsproblematik durch eine mechanische Beladung, beispielsweise durch Tausch des Elektrolyt, umgehen,um somit Zeitersparnis zu erreichen. Es ist nicht genau absehbar wann, ob und von welcher Technologie Lithium-Ionen-Batterien abgelöst werden. Eine europäische Standardisierung der Ladeanschlüsse für batteriebetriebene Fahrzeuge ist bereits geschehen. So lassen sich Anschlüsse für das Laden mit Gleich- und Wechselstrom vorfinden, die differente Leistungsübertragungen aufweisen. Oberleitungen stellen eine dynamische konduktive Lademöglichkeit dar. Des Weiteren existieren induktive Ladesysteme, die jedoch aufgrund niedriger Übertragungsleistungen und hoher Kosten nur eine untergeordnete Rolle für Nutzfahrzeuge haben. Kraftstoffe sind bislang im Verkehrssektor als Energielieferant für Fahrzeuge des N3 Segments unverzichtbar. Sie lassen sich unterteilen in alternative fossilbasierte Kraftstoffe und biologisch gewonnene Kraftstoffe. Alternative fossilbasierte Kraftstoffe sind beispielsweise Erdgas und Autogas wobei die Motoren meist modifiziert werden müssen. Diese Kraftstoffe werden keineswegs eine komplette Dekarbonisierung des Verkehrs ermöglichen, jedoch weisen manche Kraftstoffe geringere Schadstoffemissionen auf. Zu biologisch gewonnen Kraftstoffen werden nicht nur pflanzenbasierte Kraftstoffe gezählt, sondern in dieser Arbeit ebenfalls die mittels Energie herstellbaren Kraftstoffe, da von einem Ausbau der erneuerbaren Energien ausgegangen wird, und diese somit klimaneutral erzeugt werden könnten. Wasserstoff nimmt aufgrund des hohen gravimetrischen Energieinhalts eine Sonderrolle ein und ist gut zur Umsetzung in einer Brennstoffzelle geeignet. Die Speicherproblematik des Wasserstoffs und die hohen Kosten des Antriebs stehen momentan einem Einsatz im Fernverkehr im Weg. Zudem besteht noch keine ausreichende Infrastruktur. Geringe Energiedichten von Kraftstoffen oder Energiespeichern führen dazu, dass für dieselähnliche Reichweiten mehr Gewicht und Volumen im Nutzfahrzeug beansprucht werden muss. Verbrennungsmotoren stellen für Nutzfahrzeuge nach heutigem Stand in Bezug auf die Reichweiten weiterhin das geeignetste Antriebskonzept dar. Diese Eignung lässt sich nicht auf die Energieeffizienz der Motoren, sondern auf die hohen Energiedichten der fossilen Kraftstoffe zurückführen. Elektromotoren weisen wesentlich höhere Wirkungsgrade auf, sind jedoch, aufgrund der Nachteile der Energiespeicher, noch nicht für große Reichweiten geeignet. Die wasserstoffbetriebene Brennstoffzelle stellt hinsichtlich der mobilen Erzeugung von Strom die überlegene Technologie dar. Derzeit besteht für Brennstoffzellen Fahrzeuge weder Angebot noch Infrastruktur. Hybridkonzepte bieten die Möglichkeit, verschiedene Vorteile unterschiedlicher Antriebskonzepte sinnvoll miteinander zu kombinieren. Je nach Fahrprofil und Fahrzeugart können unterschiedliche Hybridisierungen eingesetzt werden, um Kraftstoffeinsparungen zu erzielen und somit die Effizienz der Fahrzeuge zu steigern. Hybridkonzepte können beim Übergang zu alternativen Antriebstechnologien eine wichtige Brückentechnologie darstellen, bis elektrisch basierte Antriebe keine Einschränkungen mehr aufweisen. Da alternative Antriebe meist auf verschiedenen Kraftstoffen basieren, ist die Verteilung dieser mittels einer geeigneten Infrastruktur notwendig. In Bezug auf den Ausbau der Kraftstoffversorgung besteht das Problem, dass diese Infrastruktur vorfinanziert werden muss, da sonst entweder keine Fahrzeuge aufgrund mangelnder Infrastruktur gekauft würden, oder keine Infrastruktur aufgrund mangelnder Fahrzeugzahl ausgebaut würde. Die zuvor erläuterten Energiespeicher werden in einem weiteren Schritt mit den jeweiligen Energiewandlern in Verbindung gebracht. Dabei wird betrachtet, welches Antriebskonzept bezogen auf das Gewicht und Volumen des Gesamtspeichersystems die besten Reichweiten ermöglicht. Dieselmotoren scheinen sich erneut aufgrund der hohen Energieinhalte der fossilen Energieträger als Antrieb für den Fernverkehr zu eignen. Fahrzeuge, die auf die Betankung von verflüssigtem Erdgas (LNG LKW) angewiesen sind, ermöglichen bereits heute brauchbare Reichweiten, wenngleich dafür größere Tankvolumina im Fahrzeug beansprucht werden. Batterieelektrische und wasserstoffbasierte Antriebe weisen prinzipiell eine gute Energieeffizienz auf, jedoch sind die dafür benötigten Energieträger entweder schwer, oder nicht gut transportierbar. Hinsichtlich der Emissionen der verschiedenen Antriebe gilt es zu verstehen, dass die Emissionen elektrisch basierter Antriebe ausschließlich in den Herstellungsprozessen des Stroms anfallen. Diesel LKW erbringen den größten Anteil ihrer Emissionen bei der Energieumwandlung im Verbrennungsmotor und sind in Bezug auf den Schadstoffausstoß wesentlich schädlicher als elektrische Fahrzeuge. Es werden folgende Antriebe in verschiedenen Kategorien im Vergleich zum Diesel LKW bewertet. Dieser wird als Benchmark gesetzt, da er für den Fernverkehr die dominierende Technologie darstellt. Es werden LNG LKW, batterieelektrische LKW, wasserstoffbasierte Brennstoffzellen LKW und Oberleitungs-Hybrid-LKW mit Diesel LKW verglichen. Hierbei werden die Faktoren Reichweite, Ladedauer, Umwelteinflüsse, Infrastruktur und Kosten berücksichtigt. Des Weiteren werden die selbigen Faktoren erneut in Bezug auf das Entwicklungspotential der Fahrzeuge vergleichen mit dem Entwicklungspotential der Diesel LKW bewertet. Nach aktuellem Stand der Technik weisen Diesel LKW die besten und batterieelektrische LKW die schlechtesten Eigenschaften auf. Dies spiegelt sich auch in der aktuellen Fahrzeugsituation wieder. Wenn die Entwicklungspotentiale der Technologien betrachtet werden, stellt sich heraus, dass Oberleitungs-Hybrid-LKW die größten Potentiale aufzeigen. Dies ist unter anderem darauf zurückzuführen, dass die Fahrzeuge durch ihre Hybridisierung die Flexibilität fossiler Antriebe mit den Entwicklungspotentialen alternativer Technologien kombinieren. Sie profitieren sowohl vom Ausbau der Infrastruktur, als auch von den zu erwartenden Fortschritten in der Batterietechnologie. Zusammenfassend kristallisiert sich heraus, dass die Forschung im Bereich der alternativen Antriebstechnologien große Fortschritte macht, dennoch der Dieselmotor als Antriebstechnologie für den Fernverkehr mittelfristig unverzichtbar bleibt. Wenn man von einem Ausbau der Infrastrukturen alternativer Kraftstoffe ausgeht, so bieten diese Potential als Range-Extender in Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen zu können. Für das ELISA Projekt und die dort geplanten Oberleitungs-Hybrid-LKW kann dies eine Alternative bieten. Derzeit werden die LKW bei Entkopplung von der Oberleitungsinfrastruktur und entleerten Batterien von einem Dieselgenerator angetrieben und können daher als dieselelektrische Serielle-Hybride gelten. Da die Reichweiten des elektrischen Fahrens zunehmen werden, wird ein Range-Extender immer seltener zum Einsatz kommen müssen. Dies ermöglicht größere Abstände der Betankungsinfrastrukturen und der Oberleitungen und vereinfacht den Ausbau einer Fernverkehrselektrifizierung. Zudem können durch einen alternativ basierten Range-Extender weiterhin Emissionen eingespart werden. Es bedarf weiterer Forschung auf allen Gebieten der Energieversorgung und Antriebstechnologien der Fahrzeuge, da bislang nicht eindeutig absehbar ist, welche Technologie sich langfristig durchsetzen wird.

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