Internationales Verkehrswesen (69) 2 | 2017 38 LOGISTIK Elektrifizierung Elektrifizierungspotential kommerzieller Kraftfahrzeug- Flotten im Wirtschaftsverkehr Elektromobilität, Wirtschaftsverkehr, Smart Grid, Fahrzeugflotten, Elektrische Netze, Batterien, Speichertechnologie Im Projekt komDRIVE der TU Berlin mit den Kooperationspartnern Forschungszentrum Jülich und Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg wurde das Elektrifizierungspotenzial kommerzieller Kraftfahrzeugflotten im städtischen Wirtschaftsverkehr untersucht. Wulf-Holger Arndt, Norman Döge Z iel des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie beauftragten Konsortiums war es, im Projekt komDRIVE die Möglichkeit zu untersuchen, diese Flotten als dezentrale Energie-Ressource in städtischen Stromverteilnetzen zu nutzen. Diese Integration schafft unter anderem ein Speichermedium zum Ausgleich von Stromangebots- und Nachfrageschwankungen bzw. zur Frequenzstabilisierung. Auf diesem Wege könnten durch die Bereitstellung von Speicherkapazitäten sogenannte vergütete Systemdienstleistungen (SDL) angeboten werden, die für Flottenbetreiber im Wirtschaftsverkehr einen zusätzlichen Anreiz zum Umstieg auf elektrisch angetriebene Fahrzeuge in Wirtschaftsverkehrsflotten bieten könnten. Dies ist eine Maßnahme, um die Dominanz der umweltschädlichen Dieselantriebe im städtischen Wirtschaftsverkehr zu verringern und den Ausbau dezentral erzeugter Energie zu fördern. Zur Beantwortung der Fragestellungen wurden umfangreiche Fahrzeug-Erhebungen, Analysen von Verkehrsdaten, Emissions- und Netz-Simulationen und auch technische Untersuchungen vorgenommen. Hier sollen ausgewählte Ergebnisse beschrieben werden, ein Buch mit allen Ergebnissen des Vorhabens ist Ende 2016 erschienen. Analyse der Fahrtdaten von Wirtschaftsverkehrsfahrzeugen Zur Abschätzung des Einsatzpotenzials von Elektrofahrzeugen in Wirtschaftsverkehrsflotten wurde die Erhebung Kraftfahrzeugverkehr in Deutschland 2010 1 (KiD 2010) vertiefend ausgewertet. Die Analysen ermittelten das Elektrifizierungspotential der Flotten hinsichtlich der Tagesfahrleistungen im städtischen Wirtschaftsverkehr nach Wirtschaftszweigen für die Fahrzeugklassen PKW und LKW mit einer Nutzlast kleiner als 3,5-t. Bild 1 zeigt die Spannweite der Tagesfahrleistung nach Wirtschaftszweigen. Elektrisch angetriebene Referenzfahrzeuge wurden herangezogen, um die Tagesfahrleistungen der Auswertungen mit dem aktuellen technischen Stand vergleichen zu können. Für die PKW waren dies E-Wolf Omega 0.7 Cargo, Renault Kangoo Z.E.; für leichte Nutzfahrzeuge (LNF) Mercedes Vito E-Cell, Iveco Daily 35S. Bei den Referenzfahrzeugen der Fahrzeugklasse PKW ist eine elektrische Reichweite von 154 bzw. 170- km nach dem Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) angegeben. Dieser Wert kann je nach Zuladung, Wetterverhältnissen und Nutzung von Nebenaggregaten wie der Klimaanlage stark schwanken. Als Referenz ist in den Abbildungen die häufig besprochene Grenze von 100 km eingezeichnet. Bei den LNF liegen die Reichweiten der Referenzfahrzeuge nach dem NEFZ jeweils bei 130 km. Bei den gewerblich genutzten PKW liegt der Median der Tagesfahrleistung laut KiD 2010 in allen Wirtschaftszweigen - teilweise deutlich - unter 100 km. Ausnahme ist der Zweig M (Erbringung von freiberuflichen, technischen und wissenschaftlichen Dienstleistungen). Allerdings kann diese Verteilung nicht als repräsentativ angesehen werden, da die Fallzahl bei diesem Zweig lediglich bei vier liegt. Geht man von einer elektrischen Reichweite von 100 km aus, ließen sich in allen Wirtschaftszweigen über 50 % der PKW durch Elektrofahrzeuge ersetzen. Zudem gibt es einige Zweige (A, D, E, I, K, N und Q), Bild 1: Tagesfahrleistungen für LNF (LKW kleiner 3,5 t Nutzlast) im städtischen Wirtschaftsverkehr nach Wirtschaftszweigen (Daten aus KiD 2010) Quelle: Arndt, W.-H. et al. 2016 Internationales Verkehrswesen (69) 2 | 2017 39 Elektrifizierung LOGISTIK wo auch das obere Quartil unter der 100-km-Grenze liegt. In diesen Branchen ließe sich folglich ein noch größerer Anteil der Fahrten mit Elektrofahrzeugen bewältigen. Dabei ist die Vergleichsreichweite mit 100 km recht niedrig angesetzt. Die größten Potentiale liegen in den Branchen D (Energieversorgung), E (Wasserversorgung etc.), N (Sonstige wirtschaftliche Dienstleistungen) und Q (Gesundheits- und Sozialwesen). Bei den LNF lässt sich Ähnliches beobachten. Auch hier liegen alle Mediane deutlich unter der 100-km-Grenze (Bild 1). Zudem liegt das Quartil lediglich bei den Zweigen C, G, H, M, N, R und S über den 100 km Tagesfahrleistung. Auch in dieser Fahrzeugklasse ließen sich große Anteile von Fahrzeugen durch E-Fahrzeuge ersetzen. Die vielversprechendsten Zweige sind D (Energieversorgung), E (Wasserversorgung etc.), F (Baugewerbe/ Bau), O (Öffentliche Verwaltung) und Q (Gesundheits- und Sozialwesen). Insgesamt ist das Potenzial für den Einsatz von Elektrofahrzeugen im städtischen Wirtschaftsverkehr in nahezu allen Branchen als hoch zu bewerten. Jedoch muss hier einschränkend erwähnt werden, dass die zitierten Statistiken nur die Fahrten im Wirtschaftsverkehr umfassen. Zusätzliche Fahrten im Privatverkehr mit demselben Fahrzeug wurden hier nicht berücksichtigt. Analysen von Flotten im Wirtschaftsverkehr Innerhalb des Vorhabens wurden verschiedene Flottenbetreiber interviewt und deren Fahrzeugeinsatzdaten gemessen. Die Abfrage der Haupteinsatzzeiten (Mehrfachantwort von vier Stunden Zeitfenstern möglich) ergab, dass der Großteil der Flotten im Zeitraum zwischen 8 und 16 Uhr täglich operiert und etwas weniger zwischen 16 und 20 Uhr (Bild 2). Allerdings bestehen erhebliche Unterschiede zwischen den Wirtschaftszweigen. Während zum Beispiel die Betreiber aus dem Baugewerbe antworteten, dass ihre Fahrzeuge hauptsächlich zwischen 8 und 16 Uhr im Einsatz sind, gaben die Antwortenden aus dem Wirtschaftszweig „Verkehr- und Nachrichtenübermittlung“ an, dass ihre Flotten über den ganzen Tag hinweg im Einsatz sind. Die am wenigsten genutzten Zeitfenster wären somit jene zwischen 20 Uhr und 8 Uhr. In diesen Zeitraum ist die Mehrzahl der Fahrzeuge der antwortenden Betreiber, mit Ausnahme der Wirtschaftszweige „Verkehrs- und Nachrichtenübermittlung“ und „Grundstücks- und Wohnungswesen“, nicht oder kaum im Einsatz. Somit ist eine ausreichende Zeitspanne für die Integration der Wirtschaftsverkehrsfahrzeuge in das Stromnetz (Ladung der Batterie) vorhanden. Ein weiteres wichtiges Kriterium für die Möglichkeit, das Einzelfahrzeug bzw. die Flotte elektrifizieren zu können, ist der Zugang zu bzw. die notwendige Nachrüstung von Ladeinfrastruktur am Fahrzeugstandort nach Betriebsschluss und während der Standzeiten (z.B. zum Be- und Entladen). Bezüglich des Fahrzeugstandortes nach Betriebsschluss gab eine geringe Mehrheit der Flottenbetreiber an, dass die Fahrzeuge nach dem Einsatz in der Nähe der Wohnung des Fahrers anstatt auf dem eigenen Betriebsgelände geparkt würden. Ein dezentrales Abstellen der Fahrzeuge würde, gerade im Innenstadtbereich, bedeuten, dass Fahrer, die ihr Fahrzeug mit nach Hause nehmen und im öffentlichen Straßenraum parken, auf eine öffentliche Ladeinfrastruktur angewiesen wären. Eine Flotte, deren Fahrzeuge nach Betriebsschluss auf dem Firmengelände verbleiben, kann mit wenig Aufwand mit Ladeinfrastruktur versorgt werden (sowohl monetär als auch organisatorisch). Diese Fahrzeuge können einfacher für das Anbieten von Systemdienstleistungen in Stromnetzen durch Aggregatoren von Speicherkapazitäten gepoolt werden. Außerdem kann davon ausgegangen werden, dass diese Fahrzeuge nach Dienstschluss nicht zusätzlich für private Fahrten genutzt werden, was das Zeitfenster, in dem SDL angeboten werden können, vergrößern würde. Folglich ist das Elektrifizierungspotential in jenen Wirtschaftszweigen größer, in denen das Fahrzeug nach Betriebsschluss auf dem Betriebshof verbleibt. Einige Flottenbetreiber haben bereits eingehende Erfahrungen mit elektrischen KFZ sammeln können. So wurden im Kurierbereich überwiegend positive Erfahrungen mit Elektrofahrzeugen gemacht. Besonders das Fahrgefühl wird von den Nutzern als entspannend empfunden. Öffentliche Ladestrukturen und Informationen sind derzeit noch in zu geringem Umfang vorhanden. Vorurteile gibt es besonders bei großen Fahrzeugen, die noch von „Kinderkrankheiten“ geplagt werden. Es fehlen Informationen aus Langzeitanalysen (z. B. Wertverfall, Wartung) und einheitliche, realistische und individuell zugeschnittene Schätzungen zur Wirtschaftlichkeit von elektrischen Fahrzeugflotten. Um Elektromobilität zu fördern, werden neben Subventionierungs-bzw. Abschreibungsmöglichkeiten - was durch die Anschaffungsprämie von der Bundesregierung bereits aufgegriffen wurde - vor allem Ausleih- und Testmöglichkeiten gewünscht. Der Informationsbedarf ist groß (Kosten, Fahrzeuge, Anschaffung, usw.). Er sollte durch individuelle Aufklärung der Unternehmen und Nutzer gedeckt werden. Das bedeutet sowohl praktische Testmöglichkeiten als auch theoretische Analysen, ob und welche E-Fahrzeuge für spezielle Anforderungen Sinn machen - z. B. in Form von Checklisten. Simulation der Potenziale zur Emissionsreduktion Die oben beschriebenen Recherchen und Erhebungen waren eine wichtige Grundlage für die Simulationen der Potenziale der Elektrifizierung deren Wirkungen auf die Reduktion von Emissionen aufgrund der geringeren spezifischen Emissionsraten vor allem von batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV). Zusammenfassend lassen sich aus den Analysen der Fahrprofile folgende Schlussfolgerungen ableiten: Hohe durchschnittliche Tagesfahrleistungen bedeuten auch eine große Streuung bei den täglichen Wegstrecken. Damit sinkt der Elektrifizierungsgrad für größere Werte, auch wenn diese noch kleiner sind als die mögliche Reichweite für BEV. Ein Elektrifizierungsgrad von 100 % konnte nur bei durchschnittlichen Tagesfahrleistungen von deutlich unterhalb der maximalen BEV-Reichweite beobachtet werden. Diese Erkenntnis ist insbesondere für spätere TCO-Berechnungen relevant, da eine Wirtschaftlichkeit der BEV bei großen durchschnittlichen Tagesfahrstrecken zu erwarten ist, diese dann aber durch BEV nicht zwingend abgebildet werden können, obwohl die maximale Reichweite der Fahrzeuge dies zulassen würde. Bild 2: Haupteinsatzzeiten der Fahrzeuge im eigenen Fuhrpark (n = 90, Mehrfachauswahl möglich) Quelle: Arndt, W.-H. et al. 2016 Internationales Verkehrswesen (69) 2 | 2017 40 LOGISTIK Elektrifizierung Die Fahrprofile unterschiedlicher Branchen sind, trotz der Einschränkung auf den innerstädtischen Wirtschaftsverkehr, sehr differenziert (siehe Analysen bei PKW). Der Elektrifizierungsgrad kann daher nur sehr grob für komplette Fahrzeugklassen bestimmt werden. Die Analysen der leichten LKW haben zudem gezeigt, dass die Fahrprofile selbst innerhalb der Branchen (Beispiel KEP) sehr inhomogen ausfallen können, sodass selbst ein branchenweiser Elektrifizierungsgrad mit großen Unsicherheiten belastet ist. Zur Bestimmung des Elektrifizierungsgrades ist mindestens eine Betrachtung von Einzelflotten notwendig. Bei Hinzunahme der Erkenntnisse aus den Fahrprofilen der Einzelfahrzeuge lässt sich ein mögliches Elektrifizierungspotential individuell bestimmen. Durch die Untersuchungen des Fachgebiets FVB der TU Berlin konnte eine tendenziell offensive Fahrweise mit großen Beschleunigungen und Verzögerungen über einen weiten Geschwindigkeitsbereich bei leichten LKW beobachtet werden, deren Ursache in erhöhtem Termindruck und engen Zeitplänen vermutet wird. Aufgrund der eingeschränkten Datenlage sind diese Analysen jedoch nur beschränkt aussagekräftig. Die beschriebenen Faktoren gingen in die anschließenden Simulationen der Elektrifizierungspotenziale und deren Emissionswirkungen ein. Lokale Simulationen drei verschiedener Arten von täglichen Emissionen - CO 2 , CO und Feinstaub - im Wirtschaftsverkehr wurden in einem Modellgebiet in Berlin für die Jahre 2015, 2020 und 2030 gerechnet. Die Ergebnisse ergaben zum Beispiel , dass die Feinstaubemissionen von LKW (> 3,5-t) im Modellgebiet von 2,5 kg/ d im Jahr 2015 auf 1,0 kg/ d im Jahr 2020 und 0,3 kg/ d im Jahr 2030 sinken. Laut HBEFA 3.2 beträgt der Emissionsfaktor für Feinstaub 2030 nur ca. 10 % im Vergleich mit 2015 für LNF und SNF. Der Feinstaub-Emissionsfaktor für PKW sinkt 2030 auf etwa 1/ 3, aber der Anteil konventioneller Fahrzeuge sinkt 2030 auf 73 % mit 17 % Plug-in-Hybrid-Fahrzeuge (PHEV) und 8 % BEV. All dies führt zur drastischen Abnahme der Feinstaubemissionen. Mithilfe eines Energiesystem-Modells, welches durch das IEK-STE des Forschungszentrums Jülich in Rahmen des Projektes weiterentwickelt wurde, konnten, für den gesamtdeutschen Raum, die Verteilungen der Fahrleistungen im Wirtschaftsverkehr sowie die Energieverbräuche und CO 2 -Emissonen für 2015, 2020 und 2030 errechnet werden. Tabelle 1 zeigt die errechneten Anteile des städtischen Verkehrs, Wirtschaftsverkehrs und städtischen Wirtschaftsverkehrs an der jeweiligen Gesamtfahrleistung im Szenario. Das Energiesystemmodell berechnet neben den Kosten und Energieströmen auch die energiebedingten CO 2 -Emissionen des Gesamtsystems und der Sektoren (keine Emissionen aus stofflich bedingten Produktionsprozessen wie zum Beispiel der nicht energetische bedingte Anteil der Zementherstellung). Der Anteil des Wirtschaftsverkehrs an den gesamten CO 2 -Emissionen beträgt mit den getroffenen Annahmen im Referenzszenario im Jahr 2030 43,8 % und der städtische Anteil ca. 22 % bezogen auf die Gesamtemissionen. Durch die unterstellte Elektrifizierungsstrategie des Wirtschaftsverkehrs vornehmlich bei PKW sowie leichte und mittelschwere LKW können im Wirtschaftsverkehr insgesamt im Vergleich zu einem BAU-Szenario 3,2 Mio. t pro Jahr eingespart werden; davon städtisch bedingt 2,9 Mio. t. Der Beitrag zur CO 2 -Einsparung durch die Elektrifizierung der EV- Wirtschaftsflotte ist nennenswert und stellt einen Baustein für eine Reduktionsstrategie im Verkehrssektor dar. Die CO 2 -Einsparung wird durch Ladeszenarien, Windcharakteristiken etc. beeinflusst. Elektrische Fahrzeuge (EV) können bei den gesetzten Zielen der Energiewende Bestandteil von kostenoptimalen Reduktionsstrategien sein. Insbesondere das Ziel zur Endenergieeinsparung im Verkehr (40 % bis 2050) erweist sich als wichtiger Treiber für den EV-Einsatz im Privat- und Wirtschaftsverkehr. Die Auswirkungen des angenommenen Bestands an EV im Wirtschaftsverkehr auf das gesamte Energieversorgungssystem in Deutschland sind nicht signifikant. Der Primärenergieverbrauch durch den Einsatz von EV sinkt 2030 sehr geringfügig. Der Einsatz von Mineralölprodukten sinkt im Vergleich zum Ausgangszustand 2015 um 8,4 % im Jahr 2030. Es findet kein signifikanter Zubau an Kraftwerksleistung für EV- Nutzung im Wirtschaftsverkehr statt, sondern eine Mehrauslastung bestehender Kapazitäten. ■ 1 http: / / www.kid2010.de LITERATUR: Arndt, W.-H. et al. 2016: Wulf-Holger Arndt, Norman Döge, Stefanie Marker (Hrsg.): Elektrifizierungspotential kommerzieller Kraftfahrzeug- Flotten im Wirtschaftsverkehr als dezentrale Energie-Ressource in städtischen Verteilnetzen - komDRIVE, Universitätsverlag der TU Berlin, 2016, http: / / dx.doi.org/ 10.14279/ depositonce-4984 Norman Döge, Dipl.-Geogr. Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Forschungsbereich „Mobilität und Raum“, Zentrum Technik und Gesellschaft, TU Berlin doege@ztg.tu-berlin.de Wulf-Holger Arndt, Dr.-Ing. Leiter Forschungsbereich „Mobilität und Raum“, Zentrum Technik und Gesellschaft, TU Berlin wulf-holger.arndt@tu-berlin.de Angaben in % Jahr Städtischer Verkehr Wirtschaftsverkehr Städtischer Wirtschaftsverkehr % vom gesamten Straßenverkehr Anteil an der PKW-Fahrleistung gesamt 2015 60,9 14,1 8,6 2020 61,0 14,4 8,8 2030 61,2 16,2 9,9 Anteil an der LKW-Fahrleistung gesamt 2015 70,4 100 70,4 2020 71,3 100 71,3 2030 73,6 100 73,6 Anteil an der PKW- und LKW-Fahrleistung gesamt 2015 62,1 25,5 16,8 2020 62,5 26,4 17,5 2030 63,1 28,8 19,5 Tabelle 1: Errechnete Anteile des städtischen Verkehrs, Wirtschaftsverkehrs und städtischen Wirtschaftsverkehrs an der jeweiligen Gesamtfahrleistung im Szenario Quelle: Arndt, W.-H. et al. 2016