Internationales Verkehrswesen (67) 2 | 2015 76 TECHNOLOGIE Wissenschaft Wirtschaftsverkehr mit Elektro-Nutzfahrzeugen Wirtschaftlichkeitsbetrachtung und Optimierungspotentiale von e-Fahrzeugen im KEP-Bereich Elektro-Nutzfahrzeuge, Kurier-Express-Paket-Dienste, KEP, Wirtschaftlichkeit, Optimierung Die Bundesregierung fördert den Einsatz von Elektrofahrzeugen bis ins Jahr 2030. Neben direkten Förderungen werden auch die Zulassungsvorschriften begünstigend angepasst. Die Auswirkungen durch ihren Einsatz für Kurier, Express und Paketdienste (KEP) sind bisher im Vergleich mit zukünftigen Batterietechnologien wenig untersucht worden. Das Förderprojekt „DisLog: Ressourceneiziente Distributionslogistik für urbane Räume mit elektrisch angetriebenen Verteilfahrzeugen“ soll dazu ein Beitrag liefern. Der Autor: Hans-Dieter Chemnitz M it dem Einsatz von Elektrofahrzeugen werden erhebliche Verbesserungen im Kurier, Express und Paketdienst verbunden. Die heutigen Serienfahrzeuge mit Elektroantrieb scheinen nur in Nischen die Anforderungen der Anwender zu trefen. Für eine breitere Anwendung ist es erforderlich, besonders das Batteriesystem an die speziischen Einsatzbedingungen der Flottenbetreiber anzupassen. Als ein Kostenfaktor entscheidet das Batteriesystem den erreichbaren Grad der Wirtschaftlichkeit in einer für e-Nutzfahrzeuge optimierten Flottenstruktur. Der grobe Kostenvergleich von e-Fahrzeugen mit ihren konventionellen Pendants hat das Ziel, die für die Elektromobilität entscheidenden „Stellgrößen“ zu erkennen. Verglichen werden Diesel- und e-Modelle kleiner Nutzfahrzeuge wie dem Renault Kangoo und Transporter mit 3,5 t zulässigem Gesamtgewicht. Für die im Kurierdienst eingesetzten Kastenwagen gibt es Serienfahrzeuge mit Elektroantrieb, dagegen sind Transporter mit 3,5 t zGG zum Zeitpunkt der Untersuchung nicht als Serienfahrzeuge mit Elektroantrieb verfügbar. Kostenvergleich von Diesel- und e-Kastenwagen Die heute angebotenen Serienfahrzeuge mit Elektroantrieb sind in Abmessungen, Zuladung und Ausstattung weitgehend identisch mit den Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren. Das gewählte Dieselmodell hat gegenüber dem Elektromodell 50 % mehr Leistung (66 KW) bei etwa gleichen maximalen Drehmoment. Der Energiespeicher des Diesel ist etwa 26mal so groß wie die Kapazität der Batterie (22 bis 24 kWh). Für den Kostenvergleich wurden die Gesamtkosten der Dieselfahrzeuge aus den allgemein verfügbaren Gesamtkostenrechnungen übernommen [1]. Diese Rechnung bezieht sich auf vier Jahre Haltedauer und gibt die Kosten für Jahresfahrleistungen bis 40 000 km an. Folgende Kosten werden in Form einer Diferenzbetrachtung in die Vergleichsrechnung einbezogen: Anschafungskosten, Restwerte nach vier Jahren, Treibstokosten, Batteriekosten, Servicekosten, Steuervorteile [2, 3, 4]. Der Vergleich der resultierenden Gesamtkosten bei 4-Jahren Haltedauer ist in Bild 1 dargestellt. Die Kosten des e-Fahrzeuges (Linie „Elektro“) sind unabhängig von der jährlichen Fahrleistung stets höher als die des Dieselfahrzeuges (Linie „Diesel“). Wären die Kosten der Fahrzeugnutzung gleich, also die Fahrzeuganschaffungskosten und die Restwerte gleich, verringerte sich der Kostenvorteil des Diesel und verschwindet bei 40 000 km/ a (Linie „gleiche Anschafungskosten“). Diese Annäherung der Kosten wird verursacht durch den Servicekostenvorteil des e-Fahrzeuges bei hohen Laufleistungen. Die Elektromobilität wird heute gefördert durch den Verzicht auf Kraftfahrzeugsteuer und die Mi- 0 10.000 20.000 30.000 40.000 50.000 60.000 5 10 15 20 25 30 35 40 Elektro o. Förderung Elektro gleiche Ansch affungskosten Diesel Kostenvergleich Kastenwagen E und Diesel Haltedauer 4 Jahre Kosten €/ 4a 1000 km/ a €/ 4a Bild 1: Gesamtkostenvergleich über vier Jahre für Elektro- und Diesel-Kastenwagen Internationales Verkehrswesen (67) 2 | 2015 77 Wissenschaft TECHNOLOGIE neralölsteuer. Entiele die heutige Förderung, dann betrügen die Mehrkosten etwa 9000 EUR in vier Jahren bei 40 000 km/ a (Linie „Elektro o.Förderung“). Ursache der nahezu konstanten Kostendiferenz über die jährlichen Fahrleistungen sind die Batteriekosten. Wie auf Bild 2 angegeben, sind sie ab etwa 20 000 km/ a nahezu proportional zur Fahrleistung (variable Kosten). Die Energiekosten von Diesel und Elektrofahrzeug (Strom und Batterie) sind erst dann gleich, wenn der Stromverbrauch des e-Fahrzeuges von 18 auf 12 kWh/ 100 km sinkt bei einem Strompreis von 0,18 EUR/ kWh. Der Vergleich der Leistungen und Kosten heutiger Fahrzeuge zeigt, dass Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor den Fahrzeugen mit e-Antrieb wirtschaftlich überlegen sind. Dies gilt für die Fahrzeuganschafungskosten und die Betriebskosten des e-Fahrzeuges für Energie und Batterie. Die günstigeren Servicekosten können dies nicht ausgleichen. Das heißt, dass die bisherige direkte und indirekte Förderung nicht ausreicht, um die Wirtschaftlichkeit der e-Fahrzeuge zu erreichen. Im Folgenden soll deshalb untersucht werden, welche Verbesserungspotentiale durch eine optimale Batterieanpassung mit heutigen und zukünftigen Batterietechnologien bestehen. Dabei wird angenommen, dass sich die e-Fahrzeuge in Konzeption und Produktion so weiterentwickelt werden, dass sie kostengleich mit den Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor sind. Grundlagen einer Batterieoptimierung In den folgenden beispielhaften Betrachtungen wird angenommen, dass die Einsatzbedingungen und Personalkosten gleich sind und Diesel- und Elektrofahrzeug die gleichen ixen und variablen Fahrzeugkosten haben. Grundlage sind die Gesamtkosten der Dieselfahrzeuge wie sie z. B. in [1] angegeben werden. Gegenübergestellt werden nur die Energiekosten, also Batterie- und Stromverbrauchskosten gegenüber den Dieselkraftstokosten. Die Batterie ist das Aggregat, das die Einsatzgrenzen von e-Fahrzeugen technisch und wirtschaftlich stark beeinlusst. Die intensiv betriebene Batterieentwicklung hat große Fortschritte gemacht, so dass für das Jahr 2020 Energiedichten von 300 Wh/ kg, Preise von 150 EUR/ kWh und Zyklenzahlen von über 2000 vorhergesagt werden (heute 100 Wh/ kg, über 200 EUR/ kg, über 1000 Zyklen) [6, 7]. Diese zukünftigen Eigenschaften werden in die prospektive Rechnung aufgenommen. Für die Optimierung der Batterie gelten die unterschiedlichen Zielsetzungen der Nutzer. Während im Kurierdienst nach Fahrleistung (km) abgerechnet wird, ist es im Gütertransport die Bezugsgröße Transportleistung (tkm). Anwendungsfall Kurierdienste - Bezugsgröße Fahrleistung Kastenwagen Kurierdienste befördern Sendungen mit geringem Gewicht, die Gewichtsgrenzen des Fahrzeuges spielen eine nur untergeordnete Rolle. Die Einnahmen sind weitgehend proportional der Fahrleistung. Die Kurierdienste sind wie Taxifahrten organisiert, können jedoch unterschiedliche Aufträge bündeln. Dabei entstehen Leerfahrten und Umwegfahrten, um Bündelungsefekte zu erzielen. Die Touren sind zeitlich und räumlich unregelmäßig, so dass Batterie-Zwischenladestationen nur dann sinnvoll angefahren werden können, wenn die Fahrten dies zeitlich und räumlich zulassen. Häuig eingesetzte Fahrzeuge sind Kastenwagen wie oben im „Kostenvergleich“ angegeben. Im Fall des Kurierdienstes können die Batterien der zur Gewinnerzielung einsatzspeziisch erforderlichen Reichweite angepasst werden. In Bild 3 wurde die Rechnung so kalibriert, dass der Diesel ab einer Fahrleistung von 160 km/ Tag Einnahmenüberschüsse erzielt. Bei gleichen Anschafungskosten der Fahrzeuge wären sie wirtschaftlich etwa gleich. Für eine gewählte Tagesfahrleistung von 250 km ohne Nachladen hätte das Elektrofahrzeug mit der Batterietechnologie des Jahres 2020 ein Batteriegewicht von 150 kg und eine restliche Zuladung von 700 kg (heute 590 kg und 260 kg Zuladung). Da die Einnahmen im Kurierdienst überwiegend von den Fahrleistungen abhängen, ergibt sich natürlich bei Kostengleichheit von Diesel- und Elektrofahrzeug kaum ein Unterschied in der Wirtschaftlichkeit. Voraussetzung ist allerdings, dass die Batteriekapazität genau an die erforderliche Fahrleistung angepasst ist (entsprechend Dieseltank). 0,00 4,00 8,00 12,00 16,00 20,00 5 10 15 20 25 30 35 40 Renault Kangoo Z.E. [3] Renault ZOE [4] Nissan e-NV200 [2] 1000 km/ a €/ 100 km Spezi fische Ba ter iekosten Basis: Leasin gr aten Bild 2: Batteriekosten in Abhängigkeit der Jahresfahrleistung. Die Leasingraten werden für Fahrleistungen zwischen 10 000 und 30 000km/ a angegeben, darüber oder darunter liegende Werte wurden extrapoliert. -50,00 0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 0 42 83 125 167 208 250 Einnahmen Diesel Gewinn Diesel Einnahmen Elektro Gewinn Elektro Ba ter i e op i mi er ung Ku r i er di en st Kas te nwag e n B e zu gsgr öß e : Fah r l e istung km/ Tag Ba ter i e op i mi er ung Ku r i er di en st Kas te nwag e n B e zu gsgr öß e : Fah r l e istung km/ Tag €/ Tag Bild 3: Einnahmen und Gewinn mit der optimalen Batterie in Abhängigkeit von der Tagesfahrleistung, Bezugsgröße Fahrleistung, bei gleichen Personal- und Fahrzeugkosten von Diesel- und e-Kastenwagen, Batterietechnologie „2020“. Internationales Verkehrswesen (67) 2 | 2015 78 TECHNOLOGIE Wissenschaft Anwendungsfall Speditionen - Bezugsgröße Transportleistung Transporter 3,5t Bei dem Gütertransport von Sendungen mit höherem Gewicht kann die Transportleistung (tkm) als Bezugsgröße der Einnahmen gelten, wie z. B. im Verteil- und Fernverkehr. Im Anwendungsfall Verteil- oder Sammelverkehr ist das Fahrzeug am Beginn oder Ende der Tour gewichtsmäßig ausgelastet. Dieser Anwendungsfall impliziert eine maximale Auslastung von 50 %. Zeitlich und räumlich sind die Touren planbar, so dass Batterie- Zwischenladestationen geplant angefahren werden können. Überwiegend eingesetzt werden Transporter mit einem zulässigen Gesamtgewicht von 3,5 t [5]. In diesem Fall konkurriert eine große, schwere Batterie mit hoher Reichweite mit einer möglichst hohen Fahrzeugzuladung. Bild 4 zeigt diesen Zusammenhang für die heutige Batterietechnologie. Die optimale Strecke beträgt 85 km, das Batteriegewicht 230 kg. Der hier entstehende Verlust von 26 EUR kann durch Nachladen vermieden werden, da dadurch weitere Einnahmen erzielbar sind, die die täglichen Fixkosten decken. Die Anzahl der Ladungen für eine Tagesfahrleistung von 200-km ist unten in Tabelle1 in Spalte „Fall-0“ zu inden. Um das betriebswirtschaftliche Optimum zu inden, müssen alle relevanten Kosten den Einnahmen gegenübergestellt werden. Für die wirtschaftlich optimale Batteriegröße 1 gilt: BG opt = LG brutto - k variabel (1) 2 (2 α p) Die optimale Batteriegröße BG opt ergibt sich als Diferenz aus der halben Zuladung LG brutto (kg) und dem Quotient aus variablen Kosten k variabel (EUR/ km) und den Einnahmen 2 α p (EUR/ kgkm), als Produkt der Auslastung und des Transportpreises. Man erkennt leicht, dass ohne die Kostenelemente im zweiten Term das technische Optimum des Batteriegewichtes die Hälfte der gesamten Zuladung beträgt. Die in Tabelle 1 angegebene Berechnung des „Gewinns“ basiert auf den oben angegebenen Vereinbarungen gleicher Personal- und Fahrzeugkosten ausschließlich der Energiekosten. Für die Batterieoptimierung wurde ein Diesel- und ein e-Transporter 3,5 t miteinander verglichen. Die Batterieeinlussgrößen sind in Tabelle 1 für einen Arbeitstag, an dem 200 km gefahren werden, untersucht. Der Vergleichsfall mit heutiger Batterietechnologie aus Bild 4 ist in „Spalte-0“ eingetragen. Variiert wurden Zyklenzahl, speziischer Batteriepreis und Energiedichte der Batterie. Der Einluss der Zyklenzahl und des speziischen Batteriepreises auf den Gewinn ist gering (Spalte „Fall-1“ und „-2“). Wie im „Fall-0“ mit heutiger Batterietechnologie muss mehr als einmal pro Tag nachgeladen werden. Der durch das mehrfache Nachladen entstehende Aufwand und die entgangenen Einnahmen wurden nicht berücksichtigt. Bei einer Energiedichte von knapp 300 Wh/ kg steigt der „Gewinn“ auf über 18 EUR/ Tag (Spalte „Fall-3“ und „-4“). Er liegt dennoch etwa 30 EUR unter dem des Diesel-Sprinters (Spalte „Diesel“), erfordert aber nur ein einmaliges Laden am Tag. Mit einem „Gewinn“ von 42 EUR/ Tag ist die Erhöhung des zulässigen Gesamtgewichtes von Elektrotransportern von 3,5 t auf 4,25 t heute am wirkungsvollsten. Mit der Batterietechnologie 2020 ergäbe sich ein „Gewinn“ von 90 EUR/ Tag und ein einmaliges Laden am Tag. Der Grund dafür ist die höhere Zuladung gegenüber dem Diesel-Transporter. Angenommen wurde, dass die damit verbundenen Mehreinnahmen ohne- zusätzliche Fahrzeugkosten erzielt werden, abgesehen von dem etwas höheren Energiebedarf von 30-kWh/ 100 km. Die Einnahmen sind an den realen Verhältnissen orientiert und so kalibriert, dass für den Diesel auskömmli- Batterieoptimierung, Transporter 3,5t, Spedition, Tagesfahrleistung 200km/ Tag Fall-0 Fall-1 Fall-2 Fall-3 Fall-4 Fall-5; 4,25t Diesel Nutzlast + Batterie kg 1300 1300 1300 1300 1300 1700 1300 Batterie Energiedichte Wh/ kg 90 90 90 280 280 90 Zyklenzahl 1000 2000 2000 2000 2000 1000 Spez. Batteriepreis €/ KWh 200 200 0 200 150 200 Batteriegewicht opt 200 km kg 230,70 242,45 254,20 177,08 177,08 421,77 16,00 Ladungen/ Tag bei 200 km 2,35 2,23 2,13 1,00 1,00 1,54 1,00 „Gewinn“ 200 km € 1,89 4,39 6,89 18,30 19,55 42,55 48,82 Tabelle 1: Auswirkungen von Fahrzeug- und Batterieeigenschaften auf den „Gewinn/ Tag“, bei gleichen Personal- und Fahrzeugkosten von Diesel- und e-Transporter. 1 -200 -100 0 100 200 300 400 0 42 83 125 167 208 250 Einnahmen Elektro Gewinn Elektro Einnahmen Diesel Gewinn Diesel €/ Tag km/ Tag Ba ter i e op i mi er ung S ped i i on T r anspo rter 3,5t B e zu gsgr öß e : T r anspo r tl e istung Bild 4: Einnahmen und Gewinn mit der optimalen Batterie in Abhängigkeit von der Tagesfahrleistung, Bezugsgröße Transportleistung, bei gleichen Personal- und Fahrzeugkosten von Diesel- und e-Transporter, heutige Batterietechnologie. 1 Internationales Verkehrswesen (67) 2 | 2015 79 Wissenschaft TECHNOLOGIE che Erträge entstehen. Die hier als „Gewinn“ ausgewiesenen Beträge könnten als fahrzeugspeziischer Deckungsbeitrag 1 gelten, d.h. alle weiteren Kosten des Unternehmens müssen aus dem „Gewinn“ beglichen werden. Dazu zählen die nicht in dieses Kalkül einbezogenen Kosten, die ganz überwiegend Fixkosten sind (die Fixkosten, wie die Finanzierungskosten, verändern den „Gewinn“, nicht aber die Batterieoptimierung). Ausblick Die Erhöhung des zulässigen Gesamtgewichtes von e- Transportern von 3,5 t auf 4,25 t liefert einen wesentlichen Beitrag zur Wirtschaftlichkeit im Segment Gütertransport. Die sonstigen Fördermaßnahmen reichen nicht aus, um die Kosten der gewerblichen e-Mobility im KEP-Bereich an die Kosten der Dieselfahrzeuge anzugleichen. Die vergleichende Abschätzung zeigt, dass die e-Fahrzeuge das Kostenniveau der Dieselfahrzeuge erreichen und für den jeweiligen Anwendungsfall optimiert werden müssen, das gilt besonders für die Batterien. Die Betrachtung dient als Vorbereitung und Input für weitere Projektarbeiten, die den Einsatz und die Optimierungen von Logistikkonzepten, Fahrzeuglotten und den Fahrzeugen selbst betrefen. ■ Die Bundesregierung fördert in vier ausgewählten Regionen die Erprobung innovativer Elemente der Elektromobilität im Rahmen des Förderprogramms „Schaufenster Elektromobilität“. Die in diesem Beitrag vorliegenden Ergebnisse sind im Projekt „DisLog: Ressourceneiziente Distributionslogistik für urbane Räume mit elektrisch angetriebenen Verteilfahrzeugen“ entstanden, einem Projekt des Internationalen Schaufensters Elektromobilität Berlin-Brandenburg. 1 Ohne Berücksichtigung des Strommehrverbrauches durch das Batteriegewicht QUELLEN [1] ADAC Autokosten 2014 [2] Nissan e-NV200 und NV200, Broschüren und Preislisten 2014 [3] Renault Kangoo Z.E. und Renault Kangoo, Broschüren und Preislisten 2014 [4] Renault ZOE, Broschüre und Preisliste 2014 [5] Mercedes-Benz, Sprinter Datenblätter 2014 [6] http: / / www.samsungsdi.com/ automotive-battery/ battery-cells [7] http: / / www.wiwo.de/ technologie/ auto/ elektrofahrzeuge-einfacher-und-schneller/ 9901378-2.html Hans-Dieter Chemnitz, Dipl.-Ing., Dipl.-Kfm. Internationale Akademie Berlin für innovative Pädagogik, Psychologie und Ökonomie gGmbH (INA), Berlin chemnitz@ina-fu.org Die englischsprachige Ausgabe von Ihr Ansprechpartner für Werbung: Tim Feindt • 040 23 714 -220 • tim.feindt@dvvmedia.com NEU! Messeverbreitung: • eCarTec 2015, München International Transportation 2/ 2015: Erscheinungstermin: 01. Oktober 2015 Anzeigenschluss: 31. August 2015 International Transportation