Internationales Verkehrswesen (66) 2 | 2014 32 INFRASTRUKTUR Elektromobilität Verkehrsinfrastruktur und Elektromobilität Neuartige Anforderungen an die verkehrliche Infrastruktur aus der Sicht der Elektromobilität Bis zum Jahr 2020 soll gemäß Zielvorgabe der Bundesregierung eine Million E-Fahrzeuge auf unserem Straßennetz fahren, damit wären dann rund 1,9 % des Gesamtfahrzeugbestandes E-Fahrzeuge. Um jedoch E-Fahrzeuge wirtschaftlich und gleichzeitig in größerer Stückzahl einsetzen zu können, ist mittelfristig eine erhebliche Weiterentwicklung der bestehenden Infrastrukturanlagen erforderlich: Die vorhandenen und neu zu errichtenden Verkehrsanlagen müssen die Elektromobilität unter Beachtung ökologischer Kriterien zunehmend unterstützen und somit zum intelligenten Fahrweg weiter entwickelt werden. Der Autor: Wolfgang Kühn D a sich die verkehrliche Infrastruktur maßgeblich in Baulastträgerschaft des Bundes, der Länder, Landkreise und Kommunen befindet und bereits ein erheblicher Unterhaltungsbedarf für die Bestandsnetze existiert, laufen bisher nur begrenzte Forschungsaktivitäten auf diesem speziellen Teilgebiet. Die Elektromobilität kann sich jedoch langfristig nur durchsetzen, wenn die zugehörige Infrastruktur eine neue Qualität aufweist. Zielstellung Im Rahmen einer interdisziplinären Machbarkeitsstudie wurden neuartige Anforderungen an eine intelligente und ökologisch verträgliche straßenorientierte Verkehrsinfrastruktur ermittelt und deren schrittweise technische Umsetzbarkeit an einer ausgewählten Pilotmaßnahme mittels verschiedener Szenarien überprüft [1]. Der Einheit von straßenspezifischen, energetischen und ökologischen Anforderungen kommt dabei besondere Beachtung zu. Straßenspezifische Anforderungen • Optimierung des Streckenlängsprofils (gutes Verhältnis zwischen Steigungs- und Gefällestrecken) zur Reduzierung des Steigungswiderstandes • Optimierung der Querschnittsgestaltung durch wechselseitige Überholfahrstreifen für ein sicheres Überholen bei gleichzeitiger Minimierung der versiegelten Flächen und Reduzierung des Beschleunigungswiderstandes • Reduzierung des Rollwiderstandes und des Rollgeräusches durch geeignete Deckschichtbeläge Energetische Anforderungen • Nutzung der Trassenkorridore für Verkehrswege und Leitungsnetze zwecks Optimierung der Korridorabmessungen (Trassenbündelung) • Energiegewinnung in den Korridoren durch Nutzung der Freihaltebereiche sowie ausgewählter Querschnittselemente der Straße für die Installation von Photovoltaikelementen und Windkraftanlagen • Energieübertragung in den Korridoren durch parallele Leitungsnetze zu den erforderlichen Energiespeichern • Energieeinspeisung punktuell oder linienförmig durch Ladestationen, Ladestellplätze oder abschnittsweise parallele Ladespuren Im Ergebnis der Machbarkeitsstudie sollte schließlich für eine ausgewählte Pilotstrecke erstmalig eine Energiebilanz (Energiebedarf/ Energieertrag) in Abhängigkeit von verschiedenen Einflussfaktoren erstellt und diskutiert werden. Untersuchungsschwerpunkte Die Energiebereitstellung in der Nähe der Hauptverbraucher ist eine wichtige Voraussetzung für den ökologischen Energiewandel. Die Energieerzeugung an dezentralen Orten erfordert immer den Bau von Energieübertragungstrassen, die kostenaufwendig sind, zusätzliche ökologische Eingriffe erfordern, langwierige Genehmigungsverfahren erfordern und Energieverluste infolge der Übertragungswege verursachen. Diese Probleme treten gegenwärtig bei der Planung und dem Bau von Energietrassen im Zusammenhang mit den Offshore-Windkraftanlagen Deutschlands deutlich zutage. Bild 1: Makroskopischer Trassenkorridor mit Verkehrsanlage, Energieerzeugungsanlagen und Leitungsnetzen Internationales Verkehrswesen (66) 2 | 2014 33 Elektromobilität INFRASTRUKTUR Bei der Korridorbetrachtung und -planung sollte künftig auch neben der Verkehrsanlage für die reine Fortbewegung die Möglichkeit der trassen- und korridorbezogenen Energiegewinnung, -weiterleitung, -speicherung und -übertragung betrachtet werden (Bild 1). Derartige komplexe Korridorbetrachtungen erfordern jedoch detaillierte theoretische Untersuchungen mit Ausweisung der praktischen Realisierungsmöglichkeiten in Abhängigkeit von den zur Verfügung stehenden Technologien und deren Wirtschaftlichkeit. Dabei sollte man jedoch nicht das technologische Entwicklungspotential und die Planungs- und Genehmigungszeiträume für Infrastrukturanlagen außer Acht lassen. Im Rahmen der interdisziplinären Machbarkeitsstudie [1] wurden ausgehend von dem Infrastrukturkorridorgedanken folgende Schwerpunktthemen untersucht (Bild 2). Detailliert bedeutet das: Energiebedarfsermittlung für E-Fahrzeug Ganzheitliche Energiebetrachtung für ein E-Fahrzeug (kinetischer und thermischer Energieverbrauch) Energiegewinnung im Infrastrukturkorridor Technische Grundlagen und Wirtschaftlichkeit von Windkraft- und Photovoltaikanlagen unterschiedlicher Konfiguration Energieübertragungs- und -einspeisungsszenarien Komplexität des Nachladens über punktuelle Ladestationen, Ladestellplätze und separate Ladespuren Aus den komplexen Gesamtuntersuchungen werden nachfolgend die erzielten Ergebnisse zur Energiebilanz näher erläutert. Pilotmaßnahme Randbedingungen Als Pilotmaßnahme diente eine 10 km lange Autobahntrasse, die unter Beachtung der Richtlinie für die Anlage von Autobahnen (RAA) [2] im Lageplan, Höhenplan und Querschnitt unter Annahme eines fiktiven Geländes entworfen wurde. Die Mindest- und Maximalwerte der Entwurfselemente im Lage- und Höhenplan wurden eingehalten. Der Höhenplan wies ein alternierendes Längsprofil aus. Aus dem Regelquerschnitt RQ 36 (6 Fahrstreifen und 2 Standstreifen) resultiert eine Kronenbreite von 36 m (Bild- 3) mit Freihaltebereichen beidseitig von 40 m laut FStG. Zur Berücksichtigung des Verkehrs wurde eine Verkehrsstärke von 4000 Fz/ h pro Fahrtrichtung bei einer gleichförmigen Bewegung der Fahrzeuge mit Geschwindigkeiten von v = 70/ 100/ 130 km/ h angesetzt.. Bei der Energiebedarfsabschätzung wurden 3 Fälle betrachtet: Fall 1: 0,01 % E-Fahrzeuge (aktuell) Fall 2: 1,90 % E-Fahrzeuge (2020, 1,0 Mio. E-Fahrzeuge) Fall 3: 100 % E-Fahrzeuge (Extremfall) Die Energiebedarfsermittlung wurde vergleichend mittels theoretischer Berechnungen, der Fahrsimulation und mit Realfahrten durchgeführt. Als Referenzfahrzeug diente der Mitsubishi i-MiEV. Die erzielten Ergebnisse wurden mit einer Studie der TU Wien [3] abgeglichen. Für die Energieertragsbetrachtung wurden folgende 2 Szenarien untersucht: Szenario 1: Theoretischer Ansatz (theoretisch maximal installierbare Leistung) • Großwindkraftanlagen am Rand des Freihaltebereiches (einseitig) • Photovoltaikanlagen als Straßenoberfläche: Solarstraße über der Straße: Solardach im Mittelstreifen: Einzelmodule auf Freihalteflächen: Modulfelder an Lärmschutzeinrichtungen (Wand/ Wall): Modulflächen Szenario 2: Realer Ansatz (gegenwärtig technologisch installierbare Leistung) • Großwindkraftanlagen (20 % der max. installierbaren Leistung) • Photovoltaikanlagen (50 % der Freihalteflächen) Unter Beachtung dieser Vorgaben wurden der Energieertrag und der Energiebedarf für die Autobahntrasse ermittelt und gegenübergestellt, um erste Anhaltspunkte zu einer möglichen Energiebilanz in Abhängigkeit von den Untersuchungsbedingungen zu erhalten. Energieertragspotential von Photovoltaikanlagen Die geführten Modellberechnungen wurden ausgewertet und berwertet. Bild 4 veranschaulicht die maximal installierbare Photovoltaikleistung für die West-Ost ausgerichtete Autobahntrasse. Die Ergebnisse zeigen anschaulich, dass die theoretischen Szenarien „Solarstraße“ und „Solarüberdachung“ den größten Ertrag liefern, jedoch die technischen und technologischen Grundlagen dafür momentan noch nicht vorhanden sind. Die bereits praktizierten Maßnahmen, Photovoltaikfelder in Freihaltebereichen Bild 3: Bereiche für Energiegewinnung (Szenarien 1 und 2) Bild 2: Untersuchungsschwerpunkte Internationales Verkehrswesen (66) 2 | 2014 34 INFRASTRUKTUR Elektromobilität anzuordnen, sind technisch möglich und wirtschaftlich sinnvoll. Die Nutzung des Mittelstreifens und notwendiger Lärmschutzeinrichtungen für die Energiegewinnung ist dagegen unwirtschaftlich. Energieertragspotential von Windkraftanlagen Im Rahmen einer Simulation mit anschließendem Feldversuch wurde geprüft, ob die durch die Fahrzeugbewegungen verursachten Luftströmungen zur Energiegewinnung mittels Kleinwindanlage genutzt werden können. Die Ergebnisse haben eindeutig gezeigt, dass die verursachten Strömungen sehr gering sind und kaum Potential für die energetische Nutzung durch Kleinwindanlagen bieten, da die Anlaufgeschwindigkeit der Anlagen bei 3-4 m/ s liegt. Für die Energiegewinnung im Korridor wurden 3 MW Großwindkraftanlagen verwendet. Die Anlagen sind mit einem Abstand von ca. 500 m einseitig am Rand des Freihaltebereiches positioniert. Baurechtliche Fragen zu erforderlichen Mindestabständen wurden vorerst nicht berücksichtigt. Für die 3 MW-Anlagen wurde ein Jahresertrag von ca. 10,8 GWh erzielt. Dies entspricht einer Volllaststundenzahl von ca.-3600 h. Die Berechnungsergebnisse für den Energieertrag im Korridor sind in Bild 5 dargestellt. Gegenüber den Photovoltaikanlagen entsteht eine deutliche Harmonisierung des Energieertrages über das Jahr hinweg. Vergleicht man die Energieerträge für das Szenario 1, so stehen einem Jahresertrag bei der Nutzung von 3 MW-Windanlagen in Höhe von ca. 170 GWh nur 34- GWh bei der Nutzung von Photovoltaikanlagen in den Freihaltebereichen gegenüber. Somit würde der Hauptanteil des jährlichen Energieertrages durch Windenergieanlagen bereitgestellt. Energiebilanz (Energiebedarf/ Energieertrag) Auf der Grundlage der berechneten Energieerträge mittels Windkraft- und Photovoltaikanlagen auf der Pilotstrecke für das theoretische und das reale Szenario sowie des errechneten Energiebedarfes für die E- Fahrzeuge in Abhängigkeit von den Fahrwiderständen, der Verkehrsstärke, den Bewegungsbedingungen und der E-Fahrzeuganzahl wurde eine erste Energiebilanz erarbeitet und in Bild 6 zusammengefasst. Unter Beachtung der getroffenen Randbedingungen und Vereinfachungen zeigt sich, dass bei Ansatz der maximal installierbaren Leistung (theoretisches Szenario) der Energiebedarf bei allen drei Geschwindigkeiten abgedeckt werden kann. Gegenwärtig steht jedoch für die Energiegewinnung mittels „Solarstraße“ oder „Solarüberdachung“ noch keine technisch realisierbare und wirtschaftliche Lösung zur Verfügung. Die Energiegewinnung mit Hilfe von Großwindkraftanlagen ist dagegen technisch gelöst und wirtschaftlich sinnvoll. Bei Ansatz des Realszenarios (20 % der maximal installierbaren Leistung der Windkraft und 50 % der maximal installierten Leistung von Photovoltaikanlagen in den Freihaltebereichen) ist erkennbar, dass in Abhängigkeit von Geschwindigkeit und E- Fahrzeuganteil eine positive oder negative Energiebilanz entsteht kann. Nachladeinfrastruktur Zur Absicherung der Langstreckentauglichkeit von E-Fahrzeugen muss in der Nähe der Verkehrswege eine Ladeinfrastruktur aufgebaut werden. Neben punktuellen Ladestationen an E-Tankstellen, Nachlademöglichkeiten über Induktion auf Stellplätzen können auch abschnittsweise parallel zur Autobahn verlaufende Ladespuren sinnvoll sein. Bild 4: Jahreszeitlicher Verlauf des Elektroenergieertrages bei maximal installierbarer Photovoltaikleistung für einen West-Ostausgerichteten Streckenverlauf Bild 5: Jahresgang des Windenergieertrages bei unterschiedlichen Leistungen im Vergleich zum Gesamtjahresertrag (3-MW-Anlage) Bild 6: Energiebilanz für unterschiedliche Ausbaugrade der Elektromobilität Internationales Verkehrswesen (66) 2 | 2014 35 Elektromobilität INFRASTRUKTUR Ladestationen (A) • Standorte für Schnellladesäulen sind die Autobahnrasthöfe und -raststätten. In Abhängigkeit vom öffentlichen Netz ist die Einrichtung von MS/ NS-Trafostation im Lastschwerpunkt erforderlich. • Die Maximal-Ladeleistung einer Schnellladesäule liegt bei ca. 44 kW (dreiphasig, 63 A). Als Nachladezeit wurden 20 Minuten gewählt. Ladestation und Ladespur (B) Abschnittsweise parallele Ladespuren werden erforderlich, wenn aufgrund des E- Fahrzeuganteils eine wirtschaftliche Nachladung mit Schnellladesäulen nicht mehr möglich ist. Die Nachladung in der Ladespur kann mittels unterschiedlicher Leitsysteme erfolgen. Die Nachladung erfolgt über Ladespuren und Ladestationen. Welche Ladestruktur sich letztlich durchsetzen wird, ist momentan nicht abschätzbar und hängt wohl maßgeblich von der Entwicklung der Energiespeicher und den Nachladezeiten ab. Bild 7 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen der Entwicklung des E-Fahrzeug-Anteils und der Zunahme des Leistungsbedarfes. Unter Beachtung der vorgegebenen Randbedingungen wären bei einem E-Fahrzeuganteil in Höhe von 30 % ca. 37 Schnellladesäulen pro 10 km Autobahnabschnitt also an einer Raststätte erforderlich. In diesem Fall müsste man ernsthaft über eine zusätzliche Ladespur nachdenken. Ladespuren könnten auch von E-Fahrzeugen genutzt werden, deren Energievorrat das Erreichen der nächsten E-Tankstelle nicht ermöglicht. Bild 8 veranschaulicht eine Autobahn- Ladestruktur unter Beachtung der erläuterten realen Energieerzeugungsszenarien. Die Nachladung der E-Fahrzeuge erfolgt über Ladespuren und Ladestationen, die über Verteilertransformatoren mit dem öffentlichen Versorgungsnetz verknüpft sind. Im Freihaltebereich und an den derzeitigen Rändern befinden sich Photovoltaik- und Windenergieanlagen, die den für die E- Fahrzeuge erforderlichen Energiebedarf anteilig abdecken. Energiespeicher werden zur Optimierung des Energiegleichgewichtes im Netz eingesetzt. Überschüssige Energie aus den Energieerzeugungsanlagen können eingespeist werden und je nach Bedarf zum Ausgleich von Versorgungsspitzen im Netz dienen. Ergebnisse und Ausblick Für die zunehmende Einführung der Elektromobilität im Mittel- und Langstreckenbereich ist neben der Entwicklung alltagstauglicher E-Fahrzeuge eine unterstützende, intelligente Verkehrsinfrastruktur erforderlich. Um die notwendige Energie für die E- Fahrzeuge in unmittelbarer Nähe des Verbrauchers ökologisch zu gewinnen und direkt zur Verfügung zu stellen, sind Planung und Bau von multifunktionalen Infrastrukturkorridoren erforderlich. In diesen Korridoren kann die Energiegewinnung mittels Wind- und Solarenergie erfolgen, wobei die Energiebilanz maßgeblich von den technologischen Möglichkeiten der ökologischen Energieerzeugung und dem tatsächlichen E-Fahrzeuganteil abhängt. Die Alltagstauglichkeit der Elektromobilität hängt primär von einer intelligenten Ladeinfrastruktur innerhalb des Infrastrukturkorridors ab und wird neben Ladestationen, Ladestellplätzen auch Ladespuren in Abhängigkeit vom E-Fahrzeuganteil erfordern. Alle notwendigen Leitungsnetze zu den Speichern können innerhalb des Korridors mitgeführt werden. Die Untersuchungsergebnisse im Rahmen der durchgeführten Machbarkeitsstudie veranschaulichen die Komplexität, Interdisziplinarität sowie den hohen technischen, technologischen und wirtschaftlichen Anspruch der Gesamtthematik. Es ist unbedingt notwendig, dass durch die verantwortlichen Baulastträger eine gemeinsame und intensivere Grundlagenforschung vorangetrieben wird, damit die neuartigen Anforderungen in den Planungsprozess der Infrastrukturanlagen mittelfristig einfließen können. ■ LITERATUR [1] Kühn, W. et al. (2012): Intelligente Verkehrsinfrastrukturanlage - Grundlage für straßen-orientierte Elektromobilität. Schlussbericht zum SMWK Forschungsprojekt, Zwickau. [2] Richtlinie für die Anlage von Autobahnen (RAA 2008), FGSV-Verlag, Köln, 2012 [3] Geringer, B. et al.: Batterieelektrische Fahrzeuge in der Praxis, TU Wien, Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik, Oktober 2012 Wolfgang Kühn, Prof. Dr.-Ing. habil. Westsächsische Hochschule Zwickau, Institut für Energie und Verkehr, Zwickau wolfgang.kühn@fh-zwickau.de Bild 8: Energetisches Gesamtsystem Bild 7: Nachlademöglichkeiten