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Modellierung einer Flugzeugabfertigung mit elektrisch angetriebenen Vorfeldfahrzeugen

Gleiß, Sebastian (2017):
Modellierung einer Flugzeugabfertigung mit elektrisch angetriebenen Vorfeldfahrzeugen.
TU Darmstadt, [Master Thesis]

Abstract

Die Mitverantwortlichkeit der wachsenden Luftverkehrsbranche am Klimawandel führt zu einem Umdenken hinsichtlich der genutzten Energieträger und der Zielsetzung handelnder Akteure, die CO2-Emissionen zu senken. Neben der technischen Weiterentwicklung und Effizienzsteigerung von Flugzeugen stellt die Elektrifizierung des Fuhrparks von Flughäfen eine aussichtsreiche Maßnahme zur Zielerreichung dar. Ein Großteil der zur Flugzeugabfertigung eingesetzten Geräte wird aktuell mit Diesel angetrieben. Aufgrund von vorherrschendem Kurzstreckenverkehr bieten sie ein großes Potenzial für die Nutzung von Elektromobilität. Abgesehen von einem klimaneutralen Betrieb ist mit der Umstellung auch eine Reduktion von Luftschadstoff- und Lärmemissionen verbunden, die eine Verbesserung der Arbeitsbedingungen für das Bodenpersonal erwarten lässt. Zusätzlich besteht ein bedeutender Vorteil in einer verbesserten Energieeffizienz und der damit verbundenen Senkung des Energieverbrauchs gegenüber konventionellen Antrieben. Durch die Einsparungen von Betriebskosten und einem niedrigeren Wartungsaufwand ergeben sich auch wirtschaftliche Chancen, welche der Implementierung von elektrischen Antrieben an Flughäfen zum Erfolg verhelfen können. Aus diesem Grund wird auch am Flughafen Frankfurt am Main, dem Fallbeispiel dieser Arbeit, die sukzessive Umrüstung der Abfertigungsgeräte auf elektrische Antriebe vorangetrieben. Den ökologischen und wirtschaftlichen Vorteilen stehen die infrastrukturellen Unsicherheiten im großflächigen Einsatz von Elektromobilität in der Flugzeugabfertigung gegenüber. Die langen Ladezeiten der Traktionsbatterie im Vergleich zu den schnellen Betankungsvorgängen mit Diesel oder Benzin müssen kompensiert werden, um die Pünktlichkeit während zeitkritischen Prozessen einer Flugzeugabfertigung aufrechtzuerhalten. In diesem Zusammenhang ist unklar, ob und in welchem Ausmaß der Fuhrpark für einen vollständig elektrischen Betrieb erweitert werden muss. Erfahrungswerte, die bei der Ermittlung der optimalen Anzahl an bereitzustellenden Ladestationen hinzugezogen werden können und die Aufschluss darüber geben, inwiefern das Stromnetz die gesteigerte Ladeleistung zur Verfügung stellen kann, sind derzeit am Flughafen Frankfurt nicht vorhanden. Infolgedessen verfolgt diese Arbeit das Ziel mit der Software AnyLogic ein Modell zu entwickeln, anhand dessen Erkenntnisse für die beschriebenen Unsicherheiten gewonnen werden sollen. Durch die Simulation relevanter Prozesse einer Flugzeugabfertigung mit elektrischen Fahrzeugen werden hierzu die erforderlichen Infrastrukturkomponenten quantitativ bestimmt. Bei einer Flugzeugabfertigung ist eine Vielzahl an Fahrzeugen beteiligt, die in Lade- und Transportgeräte zu differenzieren sind. Es wurde festgestellt, dass angesichts der verschiedenen Abläufe von Lade- und Transportfahrzeugen auch unterschiedliche Anforderungsprofile an die Elektromobilität bestehen. Ladefahrzeuge zur Be- und Entladung von Flugzeugen stehen im Allgemeinen an der Flugzeugposition bereit und können über eine installierte Ladeeinheit dezentral an Steckdosen geladen werden. Erste Erfahrungen am Flughafen Frankfurt am Main zeigen, dass die zur Verfügung stehenden, nächtlichen Standzeiten der Fahrzeuge sowie die Zeiten zwischen den Abfertigungen ausreichen, um Fahrzeuge hinreichend mit Energie zu versorgen. Im Gegensatz dazu bieten sich im Schichtbetrieb von Transportfahrzeugen, insbesondere im Gepäck- und Frachttransport, lediglich kurze Zeiträume für Batterieladungen an, die in Anbetracht einer fehlenden Ladeeinheit im Fahrzeug nur an zentralen Ladestationen genutzt werden können. In Bezug auf die wechselseitige Abhängigkeit von Verladung und Transport des Gepäcks und den geringen Pufferzeiten im Betrieb besteht für die Elektrifizierung von Gepäckschleppern eine besondere Herausforderung darin, ohne eine Vergrößerung des Fahrzeugbedarfs die Pünktlichkeit der Abfertigungen zu gewährleisten. Folglich ist diese Fahrzeuggattung Gegenstand des entwickelten Modells. Für den Einsatz von Elektromobilität können sowohl zum Antrieb von Fahrzeugen als auch zur Aufladung der Antriebseinheit verschiedene technologische Möglichkeiten angewandt werden. Nach aktuellem Stand bedürfen der Antrieb mittels Wasserstoff und die Verwendung von Induktionsladung weiterer Forschungen, um sich zu einer leistungsfähigen Alternative zu entwickeln. Stattdessen werden elektrische Fahrzeuge an Flughäfen vorwiegend mit Blei-Säure- oder Lithium-Ionen-Batterien angetrieben. Durch die spezifischen Energiedichten und Ladegeschwindigkeiten der Batterien werden beim Einsatz abweichende infrastrukturelle Ausbaumaßnahmen erwartet. Aus diesem Grund bilden diese Batterietypen gesonderte Varianten, die in Kombination mit Normalladestationen anhand des Modells untersucht werden. Um die Auswirkungen der Elektrifizierung zu beurteilen, wird ergänzend der Status Quo abgebildet. Das Modell ist als Planungswerkzeug zu verstehen, das die Disposition und die betrieblichen Abläufe von Gepäckschleppern nachbildet. Die Basis dafür ist die Simulation von flugbezogenen Fahrten, die sich abhängig von einem Flugzeugtyp und dem auftretenden Flugereignis in Anzahl und Zeitdauer unterscheiden. In diesem Zusammenhang werden die Flugereignisse eines Flugplans mit den durchzuführenden Fahrten des jeweiligen Flugzeugtyps kombiniert und die daraus resultierende Eingangstabelle aller Fahrten in das Modell eingespeist. Für ankommende und abfliegende Flugzeuge weichen dabei die Arbeitsschritte einer Fahrt, beispielsweise in der Anzahl zu koppelnder Anhänger, ab. Durch die wechselnden Zuglasten ändern sich die Fahrtzustände und damit auch der Energieverbrauch sowie der Ladezustand der installierten Batterie. Sobald die Startzeit einer Fahrt der Simulationszeit entspricht, wird sie einem verfügbaren Gepäckschlepper zugeordnet. Die Verfügbarkeit hängt davon ab, ob die Kapazität der Batterie und die Schichtzeit des Fahrers ausreichen, um eine Fahrt durchzuführen. Falls kein Fahrzeug diese Bedingungen erfüllt, wird ein neuer Gepäckschlepper erstellt. Auf diese Weise wird die Anzahl an notwendigen Fahrzeugen für den Untersuchungszeitraum festgestellt. Ladestationen werden zentral an einem Parkplatz errichtet. Folglich können Ladevorgänge nur stattfinden, wenn sich das Fahrzeug auf diesem befindet. In der bestehenden Schichtplanung ergeben sich diese Möglichkeiten während der Pause eines Fahrers, der Schichtübergabe des Fahrzeuges oder dem Abstellen am Tagesende. Abhängig von den gleichzeitig notwendigen Ladevorgängen bestimmt sich die Anzahl an erforderlichen Ladestationen sowie die maximale Anschlussleistung, anhand welcher sich der Ausbau des Stromnetzes orientiert. Um Rückschlüsse auf das Ausmaß des Infrastrukturausbaus zu ziehen, wird der stärkste Tag der Planungswoche mitsamt den Zeiträumen für nächtliche Vollladungen simuliert. Die Ergebnisse der Simulationsläufe verdeutlichen eine sinnvolle Integration von Ladevorgängen in die bestehenden Abläufe des Gepäcktransports. Der Einsatz von Blei-Säure-Batterien erfordert 91, der von Lithium-Ionen-Batterien 42 Normalladestation, die den flugbezogenen Betrieb ohne Änderung des Fahrzeugbedarfs von 106 Gepäckschleppern aufrechterhalten. Auf wirtschaftlich ungünstige Ladeinfrastruktursysteme, wie Schnelllade- oder Batteriewechselstationen, muss demzufolge nicht zurückgegriffen werden. Zur Stromspeisung der Ladestationen empfiehlt sich für beide Varianten der Zubau einer Blocktrafostation mit Kosten in Höhe von etwa 110.000 € bzw. 120.000 €. Obwohl der Einsatz von Blei-Säure-Batterien mehr Ladestationen erfordert, sind die gesamten Investitionskosten aufgrund der kostenintensiven Lithium-Ionen-Batterie niedriger. Wesentliche Unterschiede bestehen in den voneinander abhängigen Parametern Energieverbrauch, Energiekosten und CO2-Emissionen. Die Nutzung von Blei-Säure-Batterien ermöglicht eine Reduktion des Verbrauchs um etwa 73 % und eine Einsparung von CO2-Emissionen um etwa 60 %. Mit dem Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien reduziert sich die notwendige Energiemenge sogar um 86 % gegenüber dem aktuellen Zustand. Daraus resultiert eine jährliche Einsparung der Energiekosten von über 600.000 €. Zusätzlich wird der CO2-Ausstoß um 2.200 t pro Jahr reduziert. Dies entspricht einer Senkung um 80 % gegenüber den im Status Quo ermittelten Emissionen. Die Varianten wurden mithilfe eines Scoring-Modells bewertet. Die Grundlage dafür bildet ein Zielsystem, das die hohen betrieblichen und infrastrukturellen Ansprüche an eine Flugzeugabfertigung nach Kriterien der vier Oberziele Effizienz, Wirtschaftlichkeit, Umweltschutz und Sicherheit kategorisiert. Dabei wurde bei der Modellentwicklung eine umfassende Ermittlung von Kennwerten für definierte Zielkriterien beachtet, um eine Vergleichbarkeit der Varianten zu ermöglichen. Zur Berücksichtigung der unterschiedlichen Anforderungen an eine Abfertigung wurden die Oberziele von beteiligten Akteuren gewichtet. Das Ergebnis ist eine übergreifende Empfehlung Lithium-Ionen-Batterien im Gepäcktransport zu nutzen. Die erfolgreiche Realisierung einer elektrifizierten Gepäckschlepperflotte erfordert weitere Maßnahmen. Von großer Bedeutung ist der Aufbau eines intelligenten Lademanagementsystems, das die Disposition der Gepäckschlepper flexibel gestaltet und die Ladevorgänge am Parkplatz effizient steuert. Dadurch lassen sich der Einsatz von Ressourcen und die Auslastung des Stromnetzes weiter optimieren. Zur Analyse des Stör- und Ausfallrisikos ermöglicht das Modell die Simulation weiterer Szenarien, wie der temperaturabhängigen Veränderung der Batterieeffizienz. Darüber hinaus besteht das Potenzial, weitere Fahrzeuggattungen, insbesondere im Transportbereich, hinsichtlich einer Elektrifizierung zu untersuchen.

Item Type: Master Thesis
Erschienen: 2017
Creators: Gleiß, Sebastian
Title: Modellierung einer Flugzeugabfertigung mit elektrisch angetriebenen Vorfeldfahrzeugen
Language: German
Abstract:

Die Mitverantwortlichkeit der wachsenden Luftverkehrsbranche am Klimawandel führt zu einem Umdenken hinsichtlich der genutzten Energieträger und der Zielsetzung handelnder Akteure, die CO2-Emissionen zu senken. Neben der technischen Weiterentwicklung und Effizienzsteigerung von Flugzeugen stellt die Elektrifizierung des Fuhrparks von Flughäfen eine aussichtsreiche Maßnahme zur Zielerreichung dar. Ein Großteil der zur Flugzeugabfertigung eingesetzten Geräte wird aktuell mit Diesel angetrieben. Aufgrund von vorherrschendem Kurzstreckenverkehr bieten sie ein großes Potenzial für die Nutzung von Elektromobilität. Abgesehen von einem klimaneutralen Betrieb ist mit der Umstellung auch eine Reduktion von Luftschadstoff- und Lärmemissionen verbunden, die eine Verbesserung der Arbeitsbedingungen für das Bodenpersonal erwarten lässt. Zusätzlich besteht ein bedeutender Vorteil in einer verbesserten Energieeffizienz und der damit verbundenen Senkung des Energieverbrauchs gegenüber konventionellen Antrieben. Durch die Einsparungen von Betriebskosten und einem niedrigeren Wartungsaufwand ergeben sich auch wirtschaftliche Chancen, welche der Implementierung von elektrischen Antrieben an Flughäfen zum Erfolg verhelfen können. Aus diesem Grund wird auch am Flughafen Frankfurt am Main, dem Fallbeispiel dieser Arbeit, die sukzessive Umrüstung der Abfertigungsgeräte auf elektrische Antriebe vorangetrieben. Den ökologischen und wirtschaftlichen Vorteilen stehen die infrastrukturellen Unsicherheiten im großflächigen Einsatz von Elektromobilität in der Flugzeugabfertigung gegenüber. Die langen Ladezeiten der Traktionsbatterie im Vergleich zu den schnellen Betankungsvorgängen mit Diesel oder Benzin müssen kompensiert werden, um die Pünktlichkeit während zeitkritischen Prozessen einer Flugzeugabfertigung aufrechtzuerhalten. In diesem Zusammenhang ist unklar, ob und in welchem Ausmaß der Fuhrpark für einen vollständig elektrischen Betrieb erweitert werden muss. Erfahrungswerte, die bei der Ermittlung der optimalen Anzahl an bereitzustellenden Ladestationen hinzugezogen werden können und die Aufschluss darüber geben, inwiefern das Stromnetz die gesteigerte Ladeleistung zur Verfügung stellen kann, sind derzeit am Flughafen Frankfurt nicht vorhanden. Infolgedessen verfolgt diese Arbeit das Ziel mit der Software AnyLogic ein Modell zu entwickeln, anhand dessen Erkenntnisse für die beschriebenen Unsicherheiten gewonnen werden sollen. Durch die Simulation relevanter Prozesse einer Flugzeugabfertigung mit elektrischen Fahrzeugen werden hierzu die erforderlichen Infrastrukturkomponenten quantitativ bestimmt. Bei einer Flugzeugabfertigung ist eine Vielzahl an Fahrzeugen beteiligt, die in Lade- und Transportgeräte zu differenzieren sind. Es wurde festgestellt, dass angesichts der verschiedenen Abläufe von Lade- und Transportfahrzeugen auch unterschiedliche Anforderungsprofile an die Elektromobilität bestehen. Ladefahrzeuge zur Be- und Entladung von Flugzeugen stehen im Allgemeinen an der Flugzeugposition bereit und können über eine installierte Ladeeinheit dezentral an Steckdosen geladen werden. Erste Erfahrungen am Flughafen Frankfurt am Main zeigen, dass die zur Verfügung stehenden, nächtlichen Standzeiten der Fahrzeuge sowie die Zeiten zwischen den Abfertigungen ausreichen, um Fahrzeuge hinreichend mit Energie zu versorgen. Im Gegensatz dazu bieten sich im Schichtbetrieb von Transportfahrzeugen, insbesondere im Gepäck- und Frachttransport, lediglich kurze Zeiträume für Batterieladungen an, die in Anbetracht einer fehlenden Ladeeinheit im Fahrzeug nur an zentralen Ladestationen genutzt werden können. In Bezug auf die wechselseitige Abhängigkeit von Verladung und Transport des Gepäcks und den geringen Pufferzeiten im Betrieb besteht für die Elektrifizierung von Gepäckschleppern eine besondere Herausforderung darin, ohne eine Vergrößerung des Fahrzeugbedarfs die Pünktlichkeit der Abfertigungen zu gewährleisten. Folglich ist diese Fahrzeuggattung Gegenstand des entwickelten Modells. Für den Einsatz von Elektromobilität können sowohl zum Antrieb von Fahrzeugen als auch zur Aufladung der Antriebseinheit verschiedene technologische Möglichkeiten angewandt werden. Nach aktuellem Stand bedürfen der Antrieb mittels Wasserstoff und die Verwendung von Induktionsladung weiterer Forschungen, um sich zu einer leistungsfähigen Alternative zu entwickeln. Stattdessen werden elektrische Fahrzeuge an Flughäfen vorwiegend mit Blei-Säure- oder Lithium-Ionen-Batterien angetrieben. Durch die spezifischen Energiedichten und Ladegeschwindigkeiten der Batterien werden beim Einsatz abweichende infrastrukturelle Ausbaumaßnahmen erwartet. Aus diesem Grund bilden diese Batterietypen gesonderte Varianten, die in Kombination mit Normalladestationen anhand des Modells untersucht werden. Um die Auswirkungen der Elektrifizierung zu beurteilen, wird ergänzend der Status Quo abgebildet. Das Modell ist als Planungswerkzeug zu verstehen, das die Disposition und die betrieblichen Abläufe von Gepäckschleppern nachbildet. Die Basis dafür ist die Simulation von flugbezogenen Fahrten, die sich abhängig von einem Flugzeugtyp und dem auftretenden Flugereignis in Anzahl und Zeitdauer unterscheiden. In diesem Zusammenhang werden die Flugereignisse eines Flugplans mit den durchzuführenden Fahrten des jeweiligen Flugzeugtyps kombiniert und die daraus resultierende Eingangstabelle aller Fahrten in das Modell eingespeist. Für ankommende und abfliegende Flugzeuge weichen dabei die Arbeitsschritte einer Fahrt, beispielsweise in der Anzahl zu koppelnder Anhänger, ab. Durch die wechselnden Zuglasten ändern sich die Fahrtzustände und damit auch der Energieverbrauch sowie der Ladezustand der installierten Batterie. Sobald die Startzeit einer Fahrt der Simulationszeit entspricht, wird sie einem verfügbaren Gepäckschlepper zugeordnet. Die Verfügbarkeit hängt davon ab, ob die Kapazität der Batterie und die Schichtzeit des Fahrers ausreichen, um eine Fahrt durchzuführen. Falls kein Fahrzeug diese Bedingungen erfüllt, wird ein neuer Gepäckschlepper erstellt. Auf diese Weise wird die Anzahl an notwendigen Fahrzeugen für den Untersuchungszeitraum festgestellt. Ladestationen werden zentral an einem Parkplatz errichtet. Folglich können Ladevorgänge nur stattfinden, wenn sich das Fahrzeug auf diesem befindet. In der bestehenden Schichtplanung ergeben sich diese Möglichkeiten während der Pause eines Fahrers, der Schichtübergabe des Fahrzeuges oder dem Abstellen am Tagesende. Abhängig von den gleichzeitig notwendigen Ladevorgängen bestimmt sich die Anzahl an erforderlichen Ladestationen sowie die maximale Anschlussleistung, anhand welcher sich der Ausbau des Stromnetzes orientiert. Um Rückschlüsse auf das Ausmaß des Infrastrukturausbaus zu ziehen, wird der stärkste Tag der Planungswoche mitsamt den Zeiträumen für nächtliche Vollladungen simuliert. Die Ergebnisse der Simulationsläufe verdeutlichen eine sinnvolle Integration von Ladevorgängen in die bestehenden Abläufe des Gepäcktransports. Der Einsatz von Blei-Säure-Batterien erfordert 91, der von Lithium-Ionen-Batterien 42 Normalladestation, die den flugbezogenen Betrieb ohne Änderung des Fahrzeugbedarfs von 106 Gepäckschleppern aufrechterhalten. Auf wirtschaftlich ungünstige Ladeinfrastruktursysteme, wie Schnelllade- oder Batteriewechselstationen, muss demzufolge nicht zurückgegriffen werden. Zur Stromspeisung der Ladestationen empfiehlt sich für beide Varianten der Zubau einer Blocktrafostation mit Kosten in Höhe von etwa 110.000 € bzw. 120.000 €. Obwohl der Einsatz von Blei-Säure-Batterien mehr Ladestationen erfordert, sind die gesamten Investitionskosten aufgrund der kostenintensiven Lithium-Ionen-Batterie niedriger. Wesentliche Unterschiede bestehen in den voneinander abhängigen Parametern Energieverbrauch, Energiekosten und CO2-Emissionen. Die Nutzung von Blei-Säure-Batterien ermöglicht eine Reduktion des Verbrauchs um etwa 73 % und eine Einsparung von CO2-Emissionen um etwa 60 %. Mit dem Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien reduziert sich die notwendige Energiemenge sogar um 86 % gegenüber dem aktuellen Zustand. Daraus resultiert eine jährliche Einsparung der Energiekosten von über 600.000 €. Zusätzlich wird der CO2-Ausstoß um 2.200 t pro Jahr reduziert. Dies entspricht einer Senkung um 80 % gegenüber den im Status Quo ermittelten Emissionen. Die Varianten wurden mithilfe eines Scoring-Modells bewertet. Die Grundlage dafür bildet ein Zielsystem, das die hohen betrieblichen und infrastrukturellen Ansprüche an eine Flugzeugabfertigung nach Kriterien der vier Oberziele Effizienz, Wirtschaftlichkeit, Umweltschutz und Sicherheit kategorisiert. Dabei wurde bei der Modellentwicklung eine umfassende Ermittlung von Kennwerten für definierte Zielkriterien beachtet, um eine Vergleichbarkeit der Varianten zu ermöglichen. Zur Berücksichtigung der unterschiedlichen Anforderungen an eine Abfertigung wurden die Oberziele von beteiligten Akteuren gewichtet. Das Ergebnis ist eine übergreifende Empfehlung Lithium-Ionen-Batterien im Gepäcktransport zu nutzen. Die erfolgreiche Realisierung einer elektrifizierten Gepäckschlepperflotte erfordert weitere Maßnahmen. Von großer Bedeutung ist der Aufbau eines intelligenten Lademanagementsystems, das die Disposition der Gepäckschlepper flexibel gestaltet und die Ladevorgänge am Parkplatz effizient steuert. Dadurch lassen sich der Einsatz von Ressourcen und die Auslastung des Stromnetzes weiter optimieren. Zur Analyse des Stör- und Ausfallrisikos ermöglicht das Modell die Simulation weiterer Szenarien, wie der temperaturabhängigen Veränderung der Batterieeffizienz. Darüber hinaus besteht das Potenzial, weitere Fahrzeuggattungen, insbesondere im Transportbereich, hinsichtlich einer Elektrifizierung zu untersuchen.

Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institutes of Transportation
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institutes of Transportation > Institute for Transport Planning and Traffic Engineering
Date Deposited: 26 Jan 2018 10:33
Official URL: https://www.verkehr.tu-darmstadt.de/media/verkehr/fgvv/beruf...
Referees: Boltze, Prof. Dr. Manfred and Wauri, M. Sc. Danny and Eibensteiner, Dipl.-Kfm. Andreas and Weber, Dipl.-Ing. Boris
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 2017
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
The air transport sector contributes excessively to climate change and this leads one to take into consideration the use of alternative energy sources. The companies and individuals involved are already taking responsibility in setting new objectives to reduce the CO2 emissions. In addition to the technical advancement and the increase in efficiency of airplanes, the usage of an electric driven airport's fleet has become a feasible measure through which to achieve the goal of reducing CO2 emissions. The majority of the aircraft handling equipment is currently powered by diesel. Short-haul traffic offers an opportunity where electric mobility can be used. This is not only a climate-neutral operation but the conversion will also involve a reduction in air- and noise-pollution, which is expected to improve the working conditions for ground employees. Another advantage will be the improvement of energy efficiency and the related reduction in energy consumption compared to fossil fuel driven vehicles. Furthermore, the saving in operation costs and the reduction of the maintenance create economic opportunities, which might assist the implementation of electrical vehicles. For these reasons, Frankfurt Airport is converting its aircraft handling equipment to electric apron vehicles, which is the case study of this research. Although this conversion contributes to environmental and economic benefits, there will be challenges with regards to infrastructure due to the large-scale use of electric mobility in aircraft handling. The long charging times of the traction battery in comparison to the fast refuelling operations with diesel or gasoline must be compensated to maintain the punctuality which ensures the efficiency of the operational processes of aircraft handling. In this regard, it is unclear whether and to what extent, the fleet has to be expanded for fully electric operation. Currently, Frankfurt Airport does not operate in this manner and therefore does not entail the optimal information to determine the number of stations needed regarding the power grid to provide the increased charging capacity. Thus, the objective of this research is to develop a model that uses AnyLogic software to predict the required quantitative infrastructure components by simulating relevant processes of aircraft handling with electric vehicles. Many vehicles are involved in aircraft handling differentiated into loading and transporting devices. The different processes of loading and transporting vehicles, accordingly requires various forms of electromobility. On the one hand, loading and unloading vehicles are generally situated at the aircraft position and can load at certain sockets via an installed charging unit. Studies at Frankfurt Airport indicates that there is sufficient time to supply the vehicles with energy, due to time periods between aircraft handlings and at night. In contrast to this, during the shift operation of transport vehicles, in particular the baggage and freight transport, only short periods of time exist to charge the battery. This is only possible at central charging stations, due to the lack of a charging unit in the vehicle. An interdependency exists between the loading and the transport of baggage, this operation needs to be time efficient. Due to this reason, it can be challenging to use electric baggage towing tractors, because punctuality should be ensured without increasing the size of the fleet. Consequently, the analysing of this vehicle type is the subject of the developed model. There are various technological possibilities available which can be applied to both driving vehicles and for charging of the driving unit for the use of electromobility. Presently, the propulsion by means of hydrogen and the use of induction charge requires further research to develop it as a competitive alternative. Currently, electric vehicles at airports are primarily powered by lead-acid or lithium-ion batteries. The reconstruction measures on the infrastructure will differ, depending on the type of battery that one uses, because of the different energy densities and charging speeds they have. For this reason, the two different batteries with normal charging technology are analysed with the model. To compare the impact on the infrastructure the status quo is also being modelled. The model can be understood as a planning tool, which simulates the scheduling and the operational processes of the baggage towing tractors. The basis for this is the simulation of flight-related trips, which differ in number and duration depending on the aircraft type and the occurring flight event. Therefore, the flight events of a flight plan are combined with the essential trips of the respective aircraft type. The outcome of this combination is one chart that contains all performing trips and is implemented in the model. The processes of a trip differ for arriving and departing aircrafts, for example the number of trailers that need to be towed. Due to this the state of the trip also changes and so does the energy consumption as well as the state of charge of the battery. As soon as the start time of a trip corresponds to the simulation time, it is assigned to an available baggage towing tractor. The availability to carry out a trip depends on the sufficient capacity of the battery and the shift time of the driver. If no vehicle fulfils these conditions, a new baggage towing tractor is created in the model. In this way, the number of necessary vehicles for the simulation period can be determined. Charging stations are centrally located at a parking lot. As a result, charging operations can only take place when the vehicle is at the parking lot. In the existing shift plan, these possibilities only arise during the break of a driver, the shifting of the vehicle or the parking of it at the end of the day. The number of required charging stations as well as the maximum connection power that determines the expansion of the power grid, depends on the simultaneous charging operations. Identifying to what extent the infrastructure should be developed, the day with the most trips of the planning week is simulated together with the following night time to fully load the vehicles. The result of the simulations illustrates a meaningful integration of the loading processes into the existing procedures for baggage transport. The usage of lead-acid batteries requires 91 normal loading stations, and lithium-ion batteries 42 loading stations. This will be able to maintain the flight-related operation without changing the vehicle requirement of 106 baggage towing tractors. Therefore, charging systems that will have a negative impact on the economy, such as fast-charging or battery-changing stations, will not be needed. The installation up until final usage of a power transformer for the electricity supply of the charging stations cost around 110,000 € - 120,000 € depending on the variant. The total investment costs of lead-acid batteries are lower compared to lithium-ion ones, although the usage of lead-acid batteries requires more charging stations. The essential differences between the two variants are the interdependent parameters of energy consumption, energy costs and CO2 emissions. The usage of lead-acid batteries reduces the energy consumption with approximately 73 % and reduce the CO2 emissions with approximately 60 %. By using lithium-ion batteries the necessary energy quantity is even reduced by 86 % compared to the current state. This result in an annual saving of energy costs of more than 600,000 €. In addition, CO2 emissions are reduced by 2,200 tonnes per year, which corresponds to a reduction of 80 % compared to the emissions determined in the status quo. The variants were evaluated by using a scoring model on basis of a target system. Therefore, the high operational and infrastructural demands on aircraft handling are categorised by four objectives namely, efficiency, economic development, environmental protection and safety. While developing the model, a determination of characteristic values for the defined target criteria were considered to allow a comparability of the variants. Considering the different requirements for aircraft handling, the overall objectives were evaluated by the participatory stakeholders. The result is an overall recommendation to use lithium-ion batteries in baggage transport. The successful realisation of an electrically powered baggage towing tractor fleet requires further measures. The development of a smart charging management system is of significant importance. This contributes towards making the scheduling of the baggage towing tractors more flexible and control the loading processes at the parking lot in an efficiently manner. As a result, the usage of resources and the utilisation of the power grid can be further optimised. To analyse the risk of interruption and failure, the model is suitable to simulate further scenarios, such as the change in battery efficiency due to temperature dependency. The existing model structure provides the possibility to examine further alternative vehicle types, especially in the transport sector.English
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