Internationales Verkehrswesen (66) 3 | 2014 112 TECHNOLOGIE Wissenschaft Elektriizierung des Schwerlastverkehrs Wissenschaftliche Begleitforschung der TU-Dresden im Projekt ENUBA Hybridsysteme und rein elektrische Antriebstopologien ermöglichen aktuell im PKW- Bereich, im städtischen Busverkehr sowie bei kommunalen Nutzfahrzeugen Elektromobilität. Derartige Lösungen sind aufgrund der Laderaum- und Gewichtseinschränkungen durch onboard mitzuführende Energiespeicher für schwere Nutzfahrzeuge ungeeignet. Ein möglicher Lösungsansatz steckt in der Elektrifizierung des schweren Straßengüterverkehrs. Im Projekt ENUBA untersuchen die Siemens AG und die TU Dresden als Verbundpartner ein ganzheitliches Konzept zur Elektrifizierung des schweren Straßengüterverkehrs. Die Autoren: Frank Hartung, Sven Lißner, Falk Richter, Alexander Schemmel, Giso Wundratsch V or dem Hintergrund aktuell und zukünftig sich verschärfender Umweltbelastungen insbesondere aus dem Straßengüterverkehr in Deutschland sowie Europa, einhergehend mit den CO 2 -Reduktionszielen der Bundesregierung, wurde durch das Bundesumweltministerium und die Siemens AG das Projekt ENUBA (Elektromobilität bei schweren Nutzfahrzeugen zur Umweltentlastung von Ballungsräumen) ins Leben gerufen. Prognosen bezüglich des nationalen und internationalen Güterverkehrs sagen teils deutliche Steigerungen im Güterverkehrsaukommen bis Mitte des 21. Jahrhunderts voraus. Ein großer Teil des Zuwachses wird im Straßengüterverkehr stattinden. Die starke Abhängigkeit von Erdöl und die unvorhersehbare Entwicklung des Dieselpreises haben bereits heute beträchtliche Auswirkungen auf Wirtschaft und Verkehr. Für den motorisierten Individualverkehr gibt es bereits innovative Konzepte. So existieren im PKW-Bereich sowie bei leichten Nutzfahrzeugen bereits eine Vielzahl alternativer Antriebstechnologien, vor allem Elektromobilitätskonzepte mit stationär nachzuladenden Energiespeichern aber auch alternative Brennstofe wie Gas oder Wasserstof. Lösungen mit onboard mitzuführenden Energiespeichern (Super-Caps, Batterien) sind aufgrund der Laderaum- und Gewichtseinschränkungen für schwere Nutzfahrzeuge jedoch ungeeignet. Deshalb müssen für den schweren Straßengüterverkehr Systeme mit kontinuierlicher Energiezufuhr entwickelt werden. Ein möglicher Lösungsansatz ist die Elektriizierung des schweren Straßengüterverkehrs. Dadurch kann eine Reduktion der CO 2 -Emissionen sowie ein ökonomischer Nutzen erzielt werden. Die benötigte elektrische Energie kann durch konventionelle Kraftwerke, aber auch aus regenerativen Energiequellen erzeugt werden. Für letztere wird bis zum Jahr 2050 ein Marktanteil von 80 % als Zielwert durch die Bundesregierung angestrebt. Technik des ENUBA Systems Beim ENUBA-System erfolgt die Stromversorgung der LKWs extern mit einer Gleichspannung von nominal 670 V. Die Fahrleitungsanlage wird ähnlich wie bei Oberleitungsbussen als zweipolige Oberleitung ausgeführt. Wesentlicher Vorteil einer externen Stromversorgung gegenüber einem Onboard-System ist die Vermeidung großer Energiespeicher (SuperCaps, Batterien) auf den Fahrzeugen. Dabei sind konduktive Systeme unter technologischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten kontaktlosen Konzepten vorzuziehen. Oberleitungssysteme bieten im Gegensatz zu Stromschienen das geringere Gefahrenpotential, einen Kostenvorteil und eine höhere Flexibilität bezüglich der Fahrdynamik eines LKWs. Kernkomponente eines oberleitungsversorgten LKW ist der intelligente Stromabnehmer. Dieser ermöglicht ein automatisches An- und Abbügeln an die Oberleitung bis zu einer Geschwindigkeit von 90 km/ h. Damit wird ein Anbzw. Abbügeln beim Auf-und Abfahren auf elektriizierte Straßenabschnitte während der Fahrt ebenso DC-Unterwerk Öffentliche Energieversorgung Mittelspannungsnetz (3 AC 10 … 30 kV 50 Hz) Hochspannungsnetz (3 AC 110…380 kV 50 Hz) 3AC DC 3AC DC DC 3AC DC 3AC Diesel motor PEM- Generator PEM- Motor Bild 1: Vereinfachtes technisches Konzept des ENUBA-Systems mit Energieversorgung und Fahrzeug als serieller Hybrid (PEM = Permanent erregte Synchronmaschine) Internationales Verkehrswesen (66) 3 | 2014 113 Wissenschaft TECHNOLOGIE möglich wie Überholvorgänge. Des Weiteren gleicht der Stromabnehmer Positionsabweichungen innerhalb des Fahrstreifens aus. Als Antrieb fungiert ein hybridisierter Antriebsstrang. Das Hybridkonzept ist grundsätzlich ofen. Der ökonomischen und ökologischen Bewertung liegt ein Fahrzeugkonzept mit seriellem Antriebsstrang zugrunde (Bild 1). Durch die Hybridisierung wird auch bei Fahrt auf nicht elektriizierten Streckenabschnitten eine unterbrechungsfreie Weiterfahrt gewährleistet. Für kurze Fahrleitungsunterbrechungen kann auf den Fahrzeugen ein entsprechender Energiespeicher vorgesehen werden, der den elektrischen Antriebsmotor bei kurzen Oberleitungslücken mit Energie versorgt. Beim Vorhandensein einer Oberleitung ist ein rein elektrischer Betrieb des LKWs möglich. Weitere Systemmerkmale des ENUBA-Systems sind: • hoher Übertragungswirkungsgrad • Möglichkeit der Bremsenergierückgewinnung • nachgewiesene Sicherheit im Straßenverkehr (Oberleitungsbusse) • keine Einschränkung konventioneller Fahrzeuge bei der Integration in bestehende Straßennetze Aufgaben der TU-Dresden Als Forschungspartner obliegt der interdisziplinären Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“ der TU Dresden im Auftrage des BMUB die wissenschaftliche Begleitforschung des Projekts. Daneben fungieren die beteiligten Professuren der TU Dresden als Kooperationspartner der Siemens AG zur eingehenden Untersuchung wichtiger technischer, ökologischer und ökonomischer Fragestellungen. Eine Studie zur grundsätzlichen Machbarkeit mittels eines makroskopischen Ansatzes zur ökonomischen und ökologischen Bewertung erfolgte durch die Siemens AG im Zuge von ENUBA 1. Im Zuge der Phase ENUBA 2 fand eine Analyse und Bewertung dieser durch die TU- Dresden statt. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse ließen unmittelbar in die aktuelle ökonomische und ökologische Bewertung in ENUBA 2 ein. In dieser wird der Detailgrad und Umfang der Analyse erhöht. Zusätzlich indet unter Beteiligung der TU Dresden mit der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) ein technischer Bewertungsprozess statt. Im Zuge dessen werden mögliche Lösungen für auftretende Problem- und Fragestellungen, die sich aus der Integration des Systems in den Straßenraum ergeben, erarbeitet und begutachtet. Ökonomische Bewertung - Hauptparameter und Szenarien Die ökonomische Bewertung des ENUBA-Systems erfolgt mittels einer grundlegenden Betrachtung für zwei variierende Szenarien, für die der ökonomische Gesamtnutzen ermittelt wird. Dafür wird auf Parameter aus aktuell zugänglichen Studien der Bundesregierung und zahlreichen wissenschaftlichen Institutionen zurückgegrifen. Die ermittelten Parameterausprägungen und deren Entwicklungen werden in einem sogenannten „Basis-Szenario“ für die ökonomische und ökologische Bewertung zugrunde gelegt. Im Sinne einer konservativen Betrachtung wird zur Simulation von ungünstigen Rahmenbedingungen für das ENUBA-System im Szenario „Pro Diesel“ für relevante Hauptparameter eine gleichzeitig ungünstige Werteausprägung angenommen. Folgende Parameterwerte werden für die Szenarien „Basis-Szenario“ und „Pro Diesel“ variiert, da diese einen signiikanten Einluss auf die ökonomische Bewertung des ENUBA Systems haben: • Infrastrukturkosten (EUR/ km) • Mehraufwendungen Oberleitungs-Hybrid-LKW (OH-LKW) (EUR/ LKW) • Dieselpreisentwicklung (% p.a.) • Strompreisentwicklung (% p.a.) • Streckenausbaugeschwindigkeit (km p.a.) Grundsätzlich spiegeln die beiden gewählten Szenarien und die Ausprägung der Hauptparameter die Nutzerakzeptanz sowie die Geschwindigkeit der Einführung des ENUBA Systems wider (Bild 2). Ökologische Bewertung - Parameter und Vorgehen Die ökologische Bewertung umfasst die zu erwartenden Umweltwirkungen des Gesamtprojektes. Diese sind in ihrem Umfang zum Teil abhängig von den gewählten ökonomischen Szenarien. Zusätzlich wird ein Direktvergleich auf Basis der jeweiligen Emissionsfaktoren zwischen einem ENUBA Fahrzeug und einem konventionellen Fahrzeug mit Verbrennungsmotor durchgeführt. Das erklärte Ziel beider Vergleichsmethoden ist der Nachweis von Umweltefekten durch den Einsatz der ENUBA-Technologie. Ökologische Parameter Im Rahmen der ökologischen Bewertung des ENUBA- Systems werden alle relevanten Komponenten analysiert, d. h. physische Belastungen (Lärm und Gefährdung von Natur und Landschaft), verbrauchte Ressourcen (Verbrauch abiotischer Rohstofe, kumulierter Energieaufwand (KEA) und Naturraumbeanspruchung) und stoliche Belastungen (gefährliche Stofe in der Außenluft und Treibhausgas-Emissionen). Im Folgenden soll der Fokus auf der Systematik der ökologischen Bewertung liegen. Bild 3 stellt grundlegende Abhängigkeiten des Bewertungssystems dar. Die Inhalte und Annahmen der aufgeführten technischen Parametersets determinieren zum Teil die Ergebnisse der ökologischen Bewertung erheblich. Will man die Umweltwirkungen einer Maßnahme beschreiben, kommt man nicht umhin, Abgrenzungen zu trefen. Für die Analyse der Umweltwirkungen des ENU- BA-Projektes wurde deiniert, dass Mehr- oder Minderbelastungen aus dem direkten Betrieb der Fahrzeuge, der Herstellung des Kraftstofes bzw. der Elektroenergie, „Basis“-Szenario Szenario „Pro-Diesel“ § geringere mittlere Infrastrukturkosten § geringere Mehrkosten des OH-LKW § höhere Energiekostendifferenz zwischen Strom und Diesel § schnellerer Ausbau der Infrastruktur § höhere mittlere Infrastrukturkosten § höhere Mehrkosten des OH-LKW § geringere Energiekostendifferenz zwischen Strom und Diesel § langsamerer Ausbau der Infrastruktur Bild 2: Relative Werteausprägung der Hauptparameter für „Basis“ Szenario und Szenario „Pro-Diesel“ Internationales Verkehrswesen (66) 3 | 2014 114 TECHNOLOGIE Wissenschaft der Herstellung der Fahrzeuge und der Herstellung der Infrastruktur gegenüber der Erbringung der Leistungen mit konventionellen Diesel-LKW zu berücksichtigen sind. Die Mehraufwände für die Entsorgung der elektrischen Fahrzeuge gegenüber der Entsorgung von Dieselfahrzeugen werden nicht berücksichtigt, da Überschlagsrechnungen ergaben, dass diese deutlich unter den im Betrieb auftretenden Aufwänden liegen und somit die Ergebnisgenauigkeit nicht erhöht würde. Vorgehen Die ökologische Bewertung des Projektes muss prinzipiell auf zwei verschiedenen Ebenen durchgeführt werden, dem direkten Vergleich der Systeme und der Betrachtung der Auswirkungen für die Gesellschaft durch die Einführung der Technologie. Das Ergebnis des direkten Vergleichs stellt die Emissionsminderung durch einen ENUBA-LKW verglichen mit einem konventionellen Diesel-LKW dar. Die Auswirkungen auf die Gesellschaft werden hingegen auf die Gesamtemissionen des Straßengüterverkehrs innerhalb der Szenarien bezogen. Schlüsselfragen sind dabei: • Wie werden sich Verbrauchs-/ Emissionsfaktoren der Diesel-LKW entwickeln? • Wieviel Energie verbraucht ein OH-LKW und wie werden sich die Emissionsfaktoren der Strombereitstellung entwickeln? • Wie werden sich die Gesamt- und die elektrischen Fahrleistungen bis 2050 entwickeln? Der betrachtete Zeithorizont sorgt jedoch auch für einige Einschränkungen bzw. zwingt zu Annahmen. So reichen aktuelle technische Prognosen wie HBEFA 3.2 oder TREMOD nur bis ins Jahr 2030 und mussten in ihrer Entwicklung ab 2030 bis 2050 als unverändert konstant angesehen werden. Selbiges gilt für die weitere Entwicklung von Gesetzen (EURO-Norm). Eine weitere Einschränkung stellt der prototypische Aubau des Versuchsfahrzeuges dar. Verbrauchswerte, Emissionen und Wirkungsgrade sind somit nicht repräsentativ. Anhand einer in Fahrversuchen validierten Annahme wird z. B. vereinfacht mit einem Energieverbrauch von 50 % des Dieselfahrzeuges gerechnet. Ökologisches Berechnungstool Für den Energieverbrauch und die stolichen Belastungen werden die Auswirkungen des Projektes bis zum Jahr 2050 betrachtet. Für die Entwicklung der Verbräuche und Emissionen sowohl für Dieselfahrzeuge als auch für OH-LKWs gibt es neben den bereits erwähnten zahlreiche weitere Einlussgrößen, wie z. B.: • Entwicklung der Strommix-Zusammensetzung • Entwicklung der LKW-Flottenzusammensetzung • Entwicklung der Fahrleistungsanteile der LKW- Größenklassen • Entwicklung der Herstellungsaufwände der einzelnen Komponenten Um alle diese Einlüsse abzubilden und die Berechnungen für verschiedene Szenarien durchführen zu kön- Ressourcen Verbrauch abiotischer Rohstoffe, KEA Ökologische Parametersets Ökologische Arbeitspakete Umweltwirkung Differentielle Sachbilanz für Infrastruktur (inkl. Stromabnehmer & Motoren ) Oberleitungsabrieb (Fahrdraht & Schleifleiste) Stoffliche Belastungen Gefährliche Stoffe in der Außenluft & Treibhausgas- Emissionen Physische Belastungen Lärm & Gefährdung von Natur und Landschaft Flächenangaben für Masten und Umspannwerke Umweltbelastung und Ressourcenverbrauch aus Nutzer- und Gesellschaftssicht Ressourcen Naturraumbeanspruchung Energieemissionsfaktoren Lärmbemessung Energieverbrauch Bild 3: Analyselogik der Umweltwirkungen und Gliederung der Arbeitsmappen Bild 4: Beispielhafter Treiberbaum des Rechentools Internationales Verkehrswesen (66) 3 | 2014 115 Wissenschaft TECHNOLOGIE nen, wurde ein Rechentool mit der in Bild 4 dargestellten Berechnungsstruktur entwickelt. Berechnet werden die Emissionen/ Energieverbräuche für beide Fahrzeuge jahresfein unter Berücksichtigung der: • Vorkette der − Stromerzeugung (BMU-Leitstudie 2011[1]) − Fahrzeugherstellung (PROBAS [2], Ecoinvent) − Infrastrukturherstellung (PROBAS, Ecoinvent) − Diesel-/ Biodieselherstellung (PROBAS) • Emissionen aus − Oberleitungsabrieb (PROBAS) − Direkten Emissionen (HBEFA 3.1-Verbrauchs-/ Emissionsfaktoren[3]) − Biodieselanteil (TREMOD-Daten) Für die Entwicklung der Zusammensetzung des von den OH-LKW verwendeten Stromes wurden zwei verschiedene Szenarien deiniert. Das Szenario Strommix verwendet die Zusammensetzung nach BMU-Leitstudie 2011, Szenario A [1] und bildet die prognostizierte Entwicklung der bundesdeutschen Stromzusammensetzung ab. Das Szenario „100 % Erneuerbare Energien“ entspricht der Annahme, dass nur Strom aus erneuerbaren Energien genutzt wird. Die Zusammensetzung entspricht dabei ebenfalls den Annahmen der BMU-Leitstudie. Die Diferenzierung nach Produktionsart des verwendeten Stroms ist entscheidend, da sie das Ergebnis wesentlich determiniert. Integration in den Straßenraum - Untersuchungsschwerpunkte Eine wichtige Rolle beim ENUBA-Projekt kommt den Untersuchungen zur Integration des Oberleitungssystems in den Straßenraum zu. Für diese und weitere technische Untersuchungen im Zusammenhang mit dem ENUBA-Projekt spielt der technische Bewertungsprozess in Zusammenarbeit von Siemens, der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) und der TU Dresden eine zentrale Rolle. Im Rahmen des Bewertungsprozesses werden Fragestellungen bearbeitet, die zu Beginn des Projektes zusammengetragen wurden. Gegliedert in mehrere Teilaufgaben werden diese Fragestellungen in einem Arbeitsmappenkatalog organisiert. In den einzelnen Arbeitsmappen wird die technische Umsetzbarkeit der einzelnen Fragestellungen erläutert. Die Arbeitsmappen werden innerhalb des Katalogs den Bereichen Infrastruktur, Unterhaltung, Unfallmaßnahmen und Fahrzeugsicherheit zugeordnet. Die Arbeit der TU Dresden insbesondere der Professur für die Gestaltung von Straßenverkehrsanlagen bezieht sich überwiegend auf den Bereich Infrastruktur. In Bild 5 sind die Untersuchungsschwerpunkte aufgeführt. Fazit und Ausblick Eine abschließende Beurteilung des Projekts ist zum jetzigen Zeitpunkt nicht möglich, da es sich derzeit in einer durch die beteiligten Bundesministerien initiierten Prüfphase beindet. Mit der Veröfentlichung von Ergebnissen bezüglich eines denkbaren ökonomischen und ökologischen Nutzens ist nicht vor dem 4. Quartal 2014 zu rechnen. Aktuell hat die Siemens AG durch die südkalifornische Umweltbehörde für Luftreinhaltungspolitik den Zuschlag zum Bau einer ca. 3 km langen Teststrecke im Hafenterminalbereich von Los Angeles erhalten. Auf dieser sollen ab Juli 2015 die ersten Oberleitungs-Hybrid-LKW verkehren. Diese Strecke fungiert ein Jahr als Demonstrator. Geplant ist der schrittweise Ausbau zur Anbindung des Bahnterminals an den Hafen von Los Angeles. Eine Entscheidung, inwieweit es eine Erprobung im öfentlichen Raum in Deutschland geben wird, steht bisher aus. ■ LITERATUR [1] Bundesministerium für Natur, Umwelt und Reaktorsicherheit (BMU). (2012). Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau erneuerbarer Energien in Deutschland, bei Berücksichtigung der Entwicklungen in Europa und Global. Berlin: BMU. [2] Umweltbundesamt (UBA). (2013). Emissionsbilanz erneuerbarer Energieträger - Bestimmung der Emissionen im Jahr 2012 aus Climate Change 15/ 2013. Dessau Roßlau: UBA. [3] INFRAS. (2010). HBEFA 3.1. Bern, Schweiz. Integration in den Straßenraum Statik der Oberleitungsmasten - Untersuchung der Maststandorte in Abhängigkeit der Seitenraumgestaltung Untersuchung der Durchfahrtshöhen an querenden Bauwerken Statik von Brücken - Elektrifizierung auf Brückenbauwerken Weiterentwicklung straßenseitiges Rettungskonzept Bild 5: Untersuchungsschwerpunkte zur Integration des ENUBA-Systems in den Straßenraum Sven Lißner, Dipl.-Ing. Professur für Verkehrsökologie, Institut für Verkehrsplanung und Straßenverkehr, Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“, Technische Universität Dresden sven.lissner@tu-dresden.de Alexander Schemmel, Dipl.-Ing. Professur Gestaltung von Straßenverkehrsanlagen, Institut für Verkehrsplanung und Straßenverkehr, Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“, Technische Universität Dresden alexander.schemmel@tu-dresden.de Frank Hartung, Dipl.-Ing. Professur Elektrische Bahnen, Institut für Bahnfahrzeuge und Bahntechnik, Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“, Technische Universität Dresden frank.hartung@tu-dresden.de Giso Wundratsch, Dipl.-Ing. Professur Elektrische Bahnen, Institut für Bahnfahrzeuge und Bahntechnik, Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“, Technische Universität Dresden giso.wundratsch@tu-dresden.de Falk Richter, Dr.-Ing. Professur für Verkehrsökologie, Institut für Verkehrsplanung und Straßenverkehr, Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“, Technische Universität Dresden falk.richter@tu-dresden.de