Internationales Verkehrswesen (73) 3 | 2021 40 Elektrifizierung des Straßengüterverkehrs Kraftstoff- und Stromverbrauchsanalyse von Oberleitungs-Hybrid-Lastkraftwagen Klimawandel, Straßengüterverkehr, eHighway, Oberleitungs-Hybrid-Lastkraftwagen, Kraftstoff-/ Stromverbrauch Das Voranschreiten des Klimawandels erfordert alternative, nachhaltige und zukunftsorientierte Lösungen. Insbesondere für den Transportsektor müssen Lösungsansätze entwickelt und in der Praxis etabliert werden. Ein viel diskutierter Lösungsansatz ist die Elektrifizierung des Straßengüterverkehrs mithilfe von Oberleitungen. Durch eine Kombination der Vorteile der Schiene mit der Flexibilität der Straße, könnte das als „eHighway“ bezeichnete System eine wichtige Rolle im Transportsektor der Zukunft einnehmen. Basierend auf dem hessischen eHighway-Feldversuch ELISA (Elektrifizierter, innovativer Schwerverkehr auf Autobahnen) beschäftigt sich dieser Beitrag mit der Untersuchung und den Forschungsergebnissen zum Kraftstoff- und Stromverbrauch der auf dem eHighway eingesetzten Oberleitungs-Hybrid-Lastkraftwagen. Ferdinand Schöpp, Özgür Öztürk, Regina Linke, Jürgen K. Wilke, Manfred Boltze D er Klimawandel erfordert nachhaltige und zukunftsorientierte Lösungen in zahlreichen Handlungsfeldern. Ein Handlungsfeld, das von einem grundlegenden Umdenken betroffen ist, ist der seit Jahren sukzessiv wachsende Verkehrssektor. [1] Verantwortlich für einen beträchtlichen Anteil an Treibhausgasemissionen, werden gerade für diesen Sektor tragfähige Lösungen dringend benötigt. [2, 3] Um dieser Herausforderung gerecht zu werden, hat die Bundesregierung eine schrittweise Vermeidung von Treibhausgasen im Klimaschutzplan 2050 verankert. [4] Die Ambitionen der Bundesregierung wurden in den vergangenen Monaten sogar nochmals bekräftigt, indem das bisherige Klimaschutzgesetz weiter verschärft wurde. Anstatt der bisherigen Zielsetzung, eine weitgehende Treibhausgasneutralität bis 2050 zu erreichen, soll diese nunmehr bereits 2045 erreicht worden sein. [5] Als wichtige Stellschraube zur Erreichung einer weitest gehenden Treibhausgasneutralität wird dabei angemerkt, dass es insbesondere Alternativen für den Straßengüterverkehr bedarf, der sich als ein wesentlicher Emittent von Treibhausgasen zeigt. [4] Ein häufig diskutierter Lösungsansatz in diesem Zusammenhang ist das sogenannte eHighway-System. Mit dem eHighway-System können Lastkraftwagen während der Fahrt mit elektrischer Energie aus einer Oberleitung versorgt werden (siehe Bild 1). Ein wesentlicher Vorteil des eHighway-Systems besteht darin, den Kraftstoffverbrauch des Straßengüterverkehrs in Folge erheblich zu reduzieren, ihn teils sogar vollends zu LOGISTIK Elektrifizierung Foto: Siemens Mobility Internationales Verkehrswesen (73) 3 | 2021 41 Elektrifizierung LOGISTIK vermeiden. Damit einhergehend lassen sich Treibhausgasemissionen einsparen, so dass ein positiver Beitrag zum Klimaschutz erreicht werden kann. Die tatsächlich realisierbaren Einsparungen an Treibhausgasemissionen sind dabei vor allem vom Kraftstoff- und Stromverbrauch sogenannter Oberleitungs-Hybrid-Lastkraftwagen (OH- LKW) abhängig, dessen Untersuchung sich dieser Beitrag widmet. Auf Basis erhobener Realdaten im hessischen Feldversuch ELISA (Elektrifizierter, innovativer Schwerverkehr auf Autobahnen) wird der Kraftstoff- und Stromverbrauch von OH-LKW evaluiert. Aktueller Forschungsstand zum eHighway-System Begleitet von zwei Forschungsprojekten (ENUBA und ENUBA 2) wurde das eHighway-System zu Beginn seiner Entwicklung unter überwachten Bedingungen auf einer nicht-öffentlichen Testanlage in Groß-Dölln (nahe Berlin) getestet. [6, 7] Nach zwei weiteren Feldtests der eHighway-Technologie in den USA und Schweden wird das eHighway-System derzeit durch drei Feldversuche im öffentlichen Straßenraum in Deutschland evaluiert. Der am weitesten fortgeschrittene Feldversuch befindet sich in Hessen. Jeweils fünf Kilometer in nördlicher und südlicher Richtung der Bundesautobahn BAB 5 zwischen Frankfurt am Main und Darmstadt sind mit dem Oberleitungssystem ausgestattet. Eine Streckenverlängerung um weitere sieben Kilometer befindet sich derzeit in der Vorbereitungsphase. Begleitet wird der Feldversuch durch das Forschungsprojekt ELISA. Gefördert durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit und unter der Federführung der Autobahn GmbH des Bundes, widmen sich das Institut für Verkehrsplanung und Verkehrstechnik (IVV) der Technischen Universität Darmstadt und seine Projektpartner Siemens Mobility GmbH sowie das Energieversorgungsunternehmen Entega AG einem umfassenden Forschungsprogramm. [3, 8] Der Versuchsbetrieb im ELISA-Feldversuch wurde im Mai 2019 mit der Auslieferung des ersten OH-LKWs aufgenommen. Im Juli 2020 wurde der vorerst letzte der fünf vorgesehenen OH-LKW an das Projekt übergeben. Bei den im ELISA-Feldversuch eingesetzten OH-LKW handelt es sich derzeit um Fahrzeuge der Scania Baureihe R450 A4x2NB R17N. Diese sind mit einem parallelen Hybridantrieb ausgestattet. Im Wesentlichen besteht die in den OH-LKW verbaute Technik aus einem 450 PS starken Verbrennungsmotor, einer 130 kW starken E-Maschine, einer 18,5-kWh-Batterie und einem Stromabnehmer (Pantograph). [8] Fünf breit diversifizierte Transportunternehmen agieren als assoziierte Partner des ELISA-Projekts und setzen den ihnen zur Verfügung gestellten OH-LKW jeweils in ihrem Tagesgeschäft ein. Dieser Einsatz im realen Umfeld erlaubt Rückschlüsse auf das Verhalten und das Zusammenspiel der eingesetzten Technologie nicht mehr nur unter Laborbedingungen, sondern in einem realistischen Einsatzgebiet. Grundlagen zur Analyse des Kraftstoff- und Stromverbrauchs von OH-LKW Vorangegangene Forschungsaktivitäten am IVV konnten bereits grundlegende Erkenntnisse zum Kraftstoff- und Stromverbrauch von OH-LKW aufzeigen. Im Rahmen durchgeführter Forschungsfahrten mit den ersten beiden ausgelieferten OH-LKW wurde beobachtet, dass durch die Nutzung des eHighway-Systems erheblich Dieselkraftstoff eingespart werden konnte, teils auch ein rein elektrischer Betrieb möglich war. Es wurde in diesem Zusammenhang auch festgestellt, dass der Betrieb eines OH- LKW in verschiedene Fahrzustände, sogenannte Betriebsmodi, unterteilt werden kann. Auf Basis des Zusammenspiels von Verbrennungsmotor, E-Maschine sowie der maßgeblichen Strombezugsquellen (Batterie und Oberleitung) wurde eine Differenzierung von zunächst sechs Betriebsmodi vorgeschlagen, die eine ganzheitliche Beschreibung des OH-LKW-Betriebs zulassen sollten. Unterschieden wurden drei hybride Betriebsmodi sowie drei elektrische Betriebsmodi. [9] Basierte der bisherige Forschungsstand maßgeblich auf Beobachtungen im Rahmen von Forschungsfahrten, lässt das Voranschreiten des ELISA-Feldversuchs nunmehr neue Erkenntnisse zum Kraftstoff- und Stromverbrauch von OH-LKW zu. Aufbauend auf den nach Boltze et al. [9] aufgestellten Grundlagen ist insbesondere eine datenbasierte Berechnung von Verbrauchskennwerten für den Alltagsbetrieb von OH- LKW möglich. Um hierbei belastbare Ergebnisse erzielen zu können, wurde am IVV ein mehrstufiges Verfahren entwickelt, dessen Anwendung spezifische Verbrauchskennwerte in Abhängigkeit vom Betriebsmodus eines OH-LKWs erlaubt. Das Verfahren enthält die folgenden Schritte: •• Auseinandersetzung mit der vorhandenen Datenbasis •• Datenbasierte Verifizierung und Abgrenzung der Betriebsmodi von OH-LKW •• Entwicklung und Anwendung einer geeigneten Berechnungsmethodik •• Ermittlung der Ergebnisse zum Kraftstoff- und Stromverbrauch von OH-LKW Auseinandersetzung mit der vorhandenen Datenbasis Zu Beginn der Arbeiten war es von besonderer Bedeutung, ein umfassendes Verständnis über die verfügbaren Fahrzeugdaten zu gewinnen. Die im ELISA-Feldversuch eingesetzten OH-LKW sind mit einem Datenlogger ausgestattet. Ist ein OH-LKW in Betrieb, werden über einhundert verschiedene Fahrzeugparameter erfasst. Etwa alle 0,1-Sekunden wird ein neuer Dateneintrag generiert, welcher auch als „Record“ bezeichnet wird. Für die korrekte Interpretation der vorliegenden Datenbasis war es eine essentielle Aufgabe, ein weitreichendes Wissen über die erfassten Fahrzeugparameter und ihrer zugehörigen Wertebereiche zu erlangen. Insbesondere eine graphische Aufbereitung der jeweiligen Verlaufskurven der einzelnen Fahrzeugparameter unterstützte dabei den Verständnisprozess. Bild 2 zeigt am Beispiel der Fahrzeugparameter zum Bild 1: Das eHighway-System auf der BAB 5 zwischen Frankfurt am Main und Darmstadt Quelle: IVV Internationales Verkehrswesen (73) 3 | 2021 42 LOGISTIK Elektrifizierung Pantographenstatus, zum Betriebsstatus und zur Drehzahl des Verbrennungsmotors diesen Verfahrensschritt beispielhaft auf. Datenbasierte Verifizierung und Abgrenzung der Betriebsmodi von OH-LKW Als Voraussetzung für eine Analyse und Quantifizierung von Verbrauchskennwerten von OH-LKW waren die von Boltze et al. [9] eingeführten Betriebsmodi zu verifizieren und ein neues Verfahren zu entwickeln, das diese Betriebsmodi basierend auf den vom OH-LKW erfassten Daten über den gesamten Fahrbetrieb hinweg lückenlos identifizieren kann. Hierzu wurden überwachte Forschungsfahrten mit OH- LKW durchgeführt. Dabei wurden vordefinierte Fahrprofile abgefahren, die einen bekannten Ablauf der sechs Betriebsmodi erwarten ließen. Die Verlaufskurven sämtlicher Fahrzeugparameter wurden anschließend unter Zuhilfenahme des Fahrprofils analysiert. Dem Vorgehen lag die Annahme zu Grunde, dass unterschiedliche Betriebsmodi eines OH-LKW zu unterschiedlichen, eindeutigen und wiederkehrenden Mustern in den Verlaufskurven der Fahrzeugparameter führen, welche sich zur datenbasierten Identifikation nutzen lassen. Die zugrunde gelegten Betriebsmodi konnten durch dieses Vorgehen in den Verlaufskurven eindeutig nachvollzogen und bestätigt werden. Es wurde jedoch festgestellt, dass einige zusätzliche Fahrtabschnitte vorlagen, welche uneindeutige Wertekombinationen aufwiesen und keinem der sechs Betriebsmodi zugeordnet werden konnten. Eine genauere Analyse zeigte, dass diese stets im Übergang von einem Betriebsmodus zu einem anderen Betriebsmodus auftraten. Ein weiterer Betriebsmodus - der sogenannte Übergangsmodus - ergänzt daher die sechs Betriebsmodi, die in Folge als 6+1-Betriebsmodi definiert werden. Angelehnt an die bereits von Boltze et al. [9] aufgestellten OH-LKW-Betriebsmodi, lassen sich die Definitionen nach aktuellem-Stand der Forschung wie folgt konkretisieren: Hybrid-Standardmodus: Während der OH- LKW im Hybrid-Standardmodus operiert, ist der Verbrennungsmotor immer aktiv. Die Traktion wird durch die Interaktion zwischen Verbrennungsmotor und E-Maschine sichergestellt, wobei der Verbrennungsmotor in diesem Modus die Hauptleistung erbringt. Der Pantograph wird in diesem Modus nicht verwendet. Leistungsüberschüsse und/ oder Rekuperation laden die Batterie. Energiequellen für die Traktion sind hauptsächlich Dieselkraftstoff (primäre Energiequelle), aber auch elektrische Energie aus der Batterie (sekundäre Energiequelle). Hybrid-Zwangslademodus: Während der OH-LKW im Hybrid-Zwangslademodus operiert, ist der Verbrennungsmotor immer aktiv. Die Traktion wird durch die Interaktion zwischen Verbrennungsmotor und E- Maschine sichergestellt, wobei der Verbrennungsmotor in diesem Modus die Hauptleistung erbringt. Der Pantograph wird in diesem Modus nicht verwendet. Leistungsüberschüsse und/ oder Rekuperation laden die Batterie. Energiequellen für die Traktion sind hauptsächlich Dieselkraftstoff (primäre Energiequelle), aber auch elektrische Energie aus der Batterie (sekundäre Energiequelle). Zusätzlich zum Hybrid-Standardmodus wird in diesem Betriebsmodus der Verbrennungsmotor aktiv genutzt, um einen Leistungsüberschuss zum Laden der Batterie zu erzwingen. Hybrid-Oberleitungsmodus: Während der OH-LKW im Hybrid-Oberleitungsmodus operiert, ist der Verbrennungsmotor immer aktiv. Die Traktion wird durch die Interaktion zwischen Verbrennungsmotor und E- Maschine sichergestellt. Der Pantograph ist mit der Oberleitung verbunden. Leistungsüberschüsse sowohl aus der Oberleitung als auch aus dem Verbrennungsmotor sowie Rekuperation laden gegebenenfalls die Batterie. Energiequellen für die Traktion sind sowohl Dieselkraftstoff als auch elektrische Energie aus der Oberleitung (beide Energiequellen sind in diesem Fall die primäre Energiequelle). Elektrisch-Standardmodus: Während der OH-LKW im Elektrisch-Standardmodus operiert, ist der Verbrennungsmotor nicht in Betrieb. Die Traktion wird nur durch die E-Maschine gewährleistet. Der Pantograph wird nicht eingesetzt. Die Batterie kann durch Rekuperation geladen werden. Energiequelle für die Traktion ist ausschließlich elektrische Energie aus der Batterie (primäre Energiequelle). Elektrisch-Zwangsmodus: Während der OH-LKW im Elektrisch-Zwangsmodus operiert, ist der Verbrennungsmotor nicht in Betrieb. Die Traktion wird nur durch die E- Maschine gewährleistet. Der Pantograph wird nicht eingesetzt. Die Batterie kann durch Rekuperation geladen werden. Energiequelle für die Traktion ist ausschließlich elektrische Energie aus der Batterie (primäre Energiequelle). Der Unterschied zwischen diesem Betriebsmodus und dem Elektrisch-Standardmodus besteht darin, dass der OH-LKW vom Fahrer mittels Knopfdrucks gezwungen wird, ausschließlich die E-Maschine für die Traktion zu verwenden. (Dies kann insbesondere in immissionssensiblen Bereichen, z. B. auf dem Betriebshof oder in Siedlungsgebieten, genutzt werden.) Elektrisch-Oberleitungsmodus: Während der OH-LKW im Elektrisch-Oberleitungsmodus operiert, ist der Verbrennungsmotor nicht in Betrieb. Die Traktion wird nur durch die E-Maschine gewährleistet. Der Pantograph ist mit der Oberleitung verbunden. Leistungsüberschüsse aus der Oberleitung und/ oder Rekuperation laden gegebenenfalls die Batterie. Energiequelle für die Bild 2: Graphische Aufbereitung ausgewählter Fahrzeugparameter Quelle: Autoren Internationales Verkehrswesen (73) 3 | 2021 43 Elektrifizierung LOGISTIK Traktion ist elektrische Energie aus der Oberleitung (primäre Energiequelle). Übergangsmodus: Es können Übergänge zwischen zwei Betriebsmodi auftreten. Während ein Übergang stattfindet, sind verschiedene und nicht eindeutig zuzuordnende Betriebszustände möglich. Die Drehzahl des Verbrennungsmotors ist Null, wenngleich der Betriebszustand des Verbrennungsmotors bereits auf aktiv gesetzt wurde. Bild 3 zeigt die Zusammensetzung und das Zusammenwirken der Betriebsmodi auf. Abhängig von der jeweiligen Intention lassen sich bei der Interpretation einzelner Betriebsmodi verschiedene funktionelle Kombinationen bilden. So können die identifizierten Betriebsmodi einerseits zu hybriden und elektrischen Betriebsmodi zusammengefasst werden (vertikal). Andererseits ist eine Zusammenfassung der Betriebsmodi hinsichtlich Fahrten mit beziehungsweise ohne Nutzung der Oberleitung möglich (horizontal). Entwicklung und Anwendung einer geeigneten Berechnungsmethodik Die Verifizierung und datenbasierte Abgrenzung der Betriebsmodi von OH-LKW erlaubt in Folge die Ausarbeitung und Anwendung einer datenbasierten Berechnungsmethode zur Quantifizierung des Kraftstoff- und Stromverbrauchs von OH- LKW. Eine umfassende Kenntnis über die Werte der nachfolgenden Fahrzeugparameter ist hierfür erforderlich: •• Zeitstempel des Datensatzes (Record) (Datum und Uhrzeit) •• Kilometerstand (km) •• Fließrate des Dieselkraftstoffs (l/ h) •• Stromstärke E-Maschine (A) •• Spannung an der E-Maschine (V) •• Fahrzeuggeschwindigkeit (km/ h) •• Ladezustand der Batterie (%) Um den Kraftstoff- und Stromverbrauch von OH-LKW zu berechnen, bedarf es aufgrund des komplexen Antriebsstrangs eines OH-LKW einer mehrteiligen Berechnungsgrundlage, die sowohl den Kraftstoffverbrauch als auch den Stromverbrauch belastbar ausweisen kann. Bild 4 zeigt die entwickelte Berechnungsmethodik zur Quantifizierung des Kraftstoff- und Stromverbrauchs in Abhängigkeit des Betriebsmodus von OH-LKW auf. Die Datenauswertungen und Berechnungen wurden mittels der Statistik- Software R [10] durchgeführt. Für den Kraftstoffverbrauch ist im Rahmen der Berechnungen kein besonderes Augenmerk auf eine Differenzierung des Definitionsbereichs zu legen. Für die Berechnungen des Stromverbrauchs zeigen sich hingegen Besonderheiten. OH-LKW verbrauchen nicht nur Strom, sondern es ist während des Zwangsladens der Batterie, der Rekuperation oder bei Bremsvorgängen auch eine Stromerzeugung möglich. Dies spiegelt sich im Definitionsbereich des Parameters zur Stromstärke der E-Maschine wider: Bezieht der OH-LKW Strom, nimmt die Stromstärke einen positiven Wert an; erzeugt der OH-LKW Strom, entsprechend einen negativen Wert. Dies ist im Rahmen der Berechnungen durch die Einschränkung des jeweils zulässigen Definitionsbereichs zu berücksichtigen (siehe Bild 4). Die erarbeitete Berechnungsmethodik wurde zunächst anhand der Daten des ersten OH-LKW auf Basis eines repräsentativen Beispielmonats validiert und anschließend sukzessive auf die weiteren vier OH- LKW übertragen. Zur Gewährleistung einer hohen Ergebnisqualität wurde des Weiteren ein umfassender Datenbereinigungsprozess in das Berechnungsverfahren integriert. Ergebnisse zum Kraftstoff- und Stromverbrauch von OH-LKW Seit Beginn des Versuchsbetriebs auf der ELISA-Teststrecke konnten bis einschließlich Dezember 2020 in Summe 178.837 Kilometer für die Analyse des Kraftstoff- und Stromverbrauchs von OH-LKW ausgewertet werden. Die Anwendung der vorgestellten Berechnungsmethodik führt zu den in Bild 5 dargestellten spezifischen Verbrauchskennwerten. Die Ergebnisse stellen dabei einen fiktiven OH-LKW dar, der sich aus sämtlichen, auswertbaren Daten aller fünf im ELISA-Feldversuch eingesetzten Fahrzeuge zusammensetzt. Den Kern der generierten Verbrauchsmatrix bilden die spezifischen Verbrauchskennwerte je Betriebsmodus (in grau dargestellt). Zusätzlich wurden durch eine horizontale beziehungsweise vertikale Verrechnung die spezifischen Verbrauchskennwerte der beiden gängigen Betriebsmodi-Kombinationen ermittelt: Angaben zu hybriden beziehungsweise elektrischen Betriebsmodi in Blau; Angaben zu Betriebsmodi mit beziehungsweise ohne Oberleitungsnutzung in Grün. Auch ein hypothetischer Gesamtverbrauch eines OH- LKW lässt sich ermitteln, wenngleich ein solcher mit hoher Sorgfalt interpretiert werden muss. Der Verbrauch eines OH-LKWs wird von zahlreichen Faktoren bestimmt, maßgeblich zunächst getrieben von dem Anteil mit dem eHighway-System ausgestatteter Streckenabschnitte, gemessen an einer gesamt zurückgelegten Strecke. Im ELISA- Feldversuch beträgt dieser Anteil für den fiktiven OH-LKW derzeit etwa 5 bis 10 %. 𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾 ������������� � 𝑙𝑙 100𝑘𝑘𝑘𝑘 = � 0.1 𝐾𝐾 3600 𝐾𝐾 𝐾 × 𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝑘𝑘𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾 � 𝑙𝑙 𝐾 � 𝐾𝐾𝐾𝐾𝑙𝑙𝐾𝐾𝑘𝑘𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾 � 𝑘𝑘𝑘𝑘 − 𝐾𝐾𝐾𝐾𝑙𝑙𝐾𝐾𝑘𝑘𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾 ��� 𝑘𝑘𝑘𝑘 × 100 𝑆𝑆𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝑘𝑘𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾 ������������� � 𝑘𝑘𝑘𝑘𝐾 100𝑘𝑘𝑘𝑘 = � 0.1 𝐾𝐾 3600 𝐾𝐾 𝐾 × 𝑆𝑆𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝑘𝑘𝐾𝐾𝐾𝐾𝑆𝐾𝐾𝑘𝑘𝐾𝐾 ����������,� [𝐴𝐴𝐴 × 𝑆𝑆𝑆𝑆𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾 ����������,� [�� 1000 � 𝐾𝐾𝐾𝐾𝑙𝑙𝐾𝐾𝑘𝑘𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾 � 𝑘𝑘𝑘𝑘 − 𝐾𝐾𝐾𝐾𝑙𝑙𝐾𝐾𝑘𝑘𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾 ��� 𝑘𝑘𝑘𝑘 × 100 𝑆𝑆𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝑘𝑘𝐾𝐾𝐾𝐾𝑆𝑆𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾 ������������� � 𝑘𝑘𝑘𝑘𝐾 100𝑘𝑘𝑘𝑘 = � 0.1 𝐾𝐾 3600 𝐾𝐾 𝐾 × 𝑆𝑆𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝑘𝑘𝐾𝐾𝐾𝐾𝑆𝐾𝐾𝑘𝑘𝐾𝐾 ����������,� [𝐴𝐴𝐴 × 𝑆𝑆𝑆𝑆𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾 ����������,� [�� 1000 � 𝐾𝐾𝐾𝐾𝑙𝑙𝐾𝐾𝑘𝑘𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾 � 𝑘𝑘𝑘𝑘 − 𝐾𝐾𝐾𝐾𝑙𝑙𝐾𝐾𝑘𝑘𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾 ��� 𝑘𝑘𝑘𝑘 × 100 𝑘𝑘𝐾𝐾𝐾𝐾 𝑚𝑚 = 𝑆𝑆𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝑘𝑘𝐾𝐾𝐾𝐾𝑆𝐾𝐾𝑘𝑘𝐾𝐾 ���������� 𝐴𝐴 ≥ 0} 𝑘𝑘𝐾𝐾𝐾𝐾 𝑚𝑚 = 𝑆𝑆𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝑘𝑘𝐾𝐾𝐾𝐾𝑆𝐾𝐾𝑘𝑘𝐾𝐾 ���������� 𝐴𝐴 < 0} (1) (2) (3) Bild 4: Berechnungsmethodik zur Quantifizierung des Kraftstoff- und Stromverbrauchs von OH-LKW Quelle: Autoren Hybride Betriebsmodi Elektrische Betriebsmodi Nicht- Oberleitungs- Betriebsmodi Oberleitungs- Betriebsmodi Hybrid - Standardmodus Hybrid - Zwangslademodus Hybrid - Oberleitungsmodus Elektrisch - Standardmodus Elektrisch - Zwangsmodus Elektrisch - Oberleitungsmodus Übergangsmodus Bild 3: Zusammenspiel der Betriebsmodi eines OH-LKW Quelle: Autoren Internationales Verkehrswesen (73) 3 | 2021 44 LOGISTIK Elektrifizierung Schlussfolgerungen Als wesentliche Schlussfolgerungen dieses Beitrags können festgehalten werden: Es wurden 6+1-Betriebsmodi eines OH-LKW identifiziert, die alle möglichen Betriebszustände eines OH-LKW lückenlos abdecken. Es wurden dabei drei hybride Betriebsmodi, drei elektrische Betriebsmodi und ein Übergangsmodus definiert. Ein Null-Kraftstoffverbrauch eines OH-LKW ist möglich. Das Fahren in den elektrischen Betriebsmodi führt zu einer Kraftstoffeinsparung von 100 %. Ein Null-Kraftstoffverbrauch bei Nutzung der Oberleitung erfordert eine ausreichende Leistung der E-Maschine. Bei Fahrt im Hybrid-Oberleitungsmodus ist ein geringer Kraftstoffverbrauch möglich, der zum aktuellen Zeitpunkt unter anderem auf die geringe Leistungsfähigkeit der E-Maschine (130 kW) zurückgeführt wird. Zur Überwindung des Fahrwiderstands während der elektrischen Oberleitungsfahrt kann in einigen Situationen der Verbrennungsmotor zugeschaltet werden. Es wird erwartet, dass durch einen Austausch der E-Maschine gegen ein leistungsfähigeres Modell ein solcher Kraftstoffverbrauch vermieden und der Anteil der elektrischen Oberleitungsfahrten erhöht werden kann. Ein Null-Kraftstoffverbrauch außerhalb der Oberleitungs-Teststrecke, d. h. eine Fahrt im Elektrisch-Standardmodus, ist möglich, tritt derzeit jedoch nur im stationären Zustand oder vorrangig bei Fahrten mit geringer Geschwindigkeit auf. Vertiefende Analysen dieses Betriebsmodus führten zu dem Ergebnis, dass bei der Überwindung eines zu großen Fahrwiderstands der Verbrennungsmotor zugeschaltet und der Betriebsmodus des Fahrzeugs entsprechend vom Elektrisch-Standardmodus zum Hybrid-Standardmodus wechselt. Auch hier wird erwartet, dass durch einen Austausch der E-Maschine auf ein leistungsfähigeres Modell eine Unterstützung dieser Art vermieden werden kann. Der Stromverbrauch während einer elektrischen Fahrt ist geschwindigkeitsabhängig. Bei der zulässigen Höchstgeschwindigkeit des OH-LKW wurde ein mittlerer Wert von 99,60 kWh/ 100 km berechnet. Das bedeutet, dass ein OH-LKW bei konstanter Fahrt mit zulässiger Höchstgeschwindigkeit (ca.-80 km/ h) im Durchschnitt etwa 1 kWh/ km verbraucht. Das Fahrzeuggewicht konnte bislang aufgrund einer unzureichenden Datenbasis in die Analysen nicht einbezogen werden. Ein durchschnittliches Fahrzeuggesamtgewicht von 25 t (50 % voll beladene Fahrten, 50 % Leerfahrten) erscheint auf Basis der Feldversuchskenntnisse realistisch. Der gesamte Kraftstoff- und Stromverbrauch eines OH-LKW hängt vom Anteil der 6+1-Betriebsmodi bzw. vom Anteil der mit Oberleitungen elektrifizierten Strecke an der insgesamt betrachteten Strecke ab. Die Zusammensetzung des OH-LKW-Betriebs aus den verschiedenen Betriebsmodi beeinflusst den Kraftstoff- und Stromverbrauch erheblich. In Abhängigkeit der technischen Auslegung des OH-LKW ist dabei der Anteil der mit Oberleitungen elektrifizierten Streckenabschnitte, gemessen an einer insgesamt zurückgelegten Strecke grundsätzlich die maßgebliche Stellschraube. Im aktuellen Testbetrieb beträgt dieser elektrifizierte Streckenanteil im Mittel über alle fünf OH-LKW ca. 5 bis 10 %. Die damit verbundenen Diesel-Kraftstoffeinsparungen eines OH-LKW gegenüber einem konventionellen LKW liegen in einer ähnlichen Größenordnung. Ein höherer Anteil von mit Oberleitungen elektrifizierten Streckenabschnitten dürfte sich mindestens proportional auf die damit verbundenen Kraftstoffeinsparungen auswirken. Bei einem hypothetischen Anteil der Oberleitungsinfrastruktur von 50 % an der Gesamtfahrstrecke führt dies nach aktuellem Kenntnisstand voraussichtlich zu einer Diesel-Kraftstoffeinsparung von mindestens der gleichen Größenordnung. Aufgrund der Ladung der Batterie unter der Oberleitung und der späteren Nutzung dieser gewonnenen Energie außerhalb der elektrifizierten Strecke im Elektrisch- Standardmodus wird sogar eine deutlich höhere Diesel-Kraftstoffeinsparung erwartet. Ein Ausbau der Oberleitungsinfrastruktur wird es ermöglichen, den Anteil der elektrischen Betriebsmodi zu erhöhen und den Kraftstoffverbrauch weiter erheblich zu senken. Der Ausbau der ELISA-Teststrecke binnen der folgenden Jahre wird weitere Kenntnisse hierzu erlauben. km 151350 km 16617 167967 l/ 100km 29,96 l/ 100km 0,00 27,00 kWh/ 100km 8,88 kWh/ 100km 59,66 13,90 2781 2781 1,82 1,82 53,70 53,70 km 4707 km 3382 8089 l/ 100km 3,92 l/ 100km 0,00 2,28 kWh/ 100km 83,46 kWh/ 100km 99,60 90,21 km 156057 2781 km 19999 178837 l/ 100km 29,17 1,82 l/ 100km 0,00 25,49 kWh/ 100km 11,13 53,70 kWh/ 100km 66,41 17,97 Vertikal: Differenzierung zwischen hybriden und elektrischen Betriebsmodi Hybride Betriebsmodi Elektrische Betriebsmodi Übergänge Horizontal: Differenzierung zwischen Oberleitungs- und Nicht-Oberleitungsbetriebsmodi Hybrid - Zwangslademodus Elektrisch - Zwangsmodus Derzeit (noch) nicht identifizierbar. Integriert in Hybrid - Standardmodus. Derzeit (noch) nicht identifizierbar. Integriert in Elektrisch - Standardmodus. Nicht-Oberleitungsbetriebmodi Elektrisch - Oberleitungsmodus kWh/ 100km Hybrid - Standardmodus Hybrid - Oberleitungsmodus Übergänge km l/ 100km Elektrisch - Standardmodus Übergangsmodus Übergangsmodus km km l/ 100km kWh/ 100km Total* Total Nicht-Oberleitungsbetriebmodi, kombiniert km l/ 100km kWh/ 100km Oberleitungsbetriebmodi, kombiniert l/ 100km kWh/ 100km km l/ 100km kWh/ 100km Oberleitungsbetriebmodi Total Hybride Betriebsmodi, kombiniert Übergangsmodus Elektrische Betriebsmodi, kombiniert kWh/ 100km km l/ 100km Bild 5: Verbrauchsmatrix von OH-LKW bei elektrifiziertem Streckenanteil von ca. 5 bis 10 % (* Angegebene Gesamtverbrauchswerte abhängig vom dargestellten Anwendungsfall: Anteil der mit Oberleitungsinfrastruktur ausgestatteten Streckenanteile von etwa 10 %, gemessen an der zurückgelegten Gesamtstrecke; Größe der E-Maschine 130 kW; Batteriekapazität 18,5 kWh) Quelle: Autoren Internationales Verkehrswesen (73) 3 | 2021 45 Elektrifizierung LOGISTIK Jürgen K. Wilke, Dipl.-Ing. Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Doktorand, Institut für Verkehrsplanung und Verkehrstechnik, Technische Universität Darmstadt juergen.wilke@verkehr.tu-darmstadt.de Manfred Boltze, Prof. Dr.-Ing. Institutsleitung, Institut für Verkehrsplanung und Verkehrstechnik, Technische Universität Darmstadt boltze@verkehr.tu-darmstadt.de Regina Linke, M.Sc. Wissenschaftliche Mitarbeiterin, Doktorandin, Institut für Verkehrsplanung und Verkehrstechnik, Technische Universität Darmstadt linke@verkehr.tu-darmstadt.de Özgür Öztürk, Ph.D. Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Postdoktorand, Institut für Verkehrsplanung und Verkehrstechnik, Technische Universität Darmstadt ozturk@verkehr.tu-darmstadt.de Ferdinand Schöpp, M.Sc. Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Doktorand, Institut für Verkehrsplanung und Verkehrstechnik, Technische Universität Darmstadt schoepp@verkehr.tu-darmstadt.de Ausblick Die in dem Beitrag vorgestellten Ergebnisse zum Kraftstoff- und Stromverbrauch von OH-LKW werden fortlaufend durch weitere Evaluationen ergänzt. Relevant sind etwa die folgenden Aspekte: •• Energiefluss von der Oberleitung über den Stromabnehmer zur Batterie, E- Maschine und Antriebsachse, •• sichere Identifizierung und Differenzierung zwischen Standard- und Zwangsbetriebsmodi durch Erweiterung der aufgezeichneten Fahrzeugparameter, •• Berechnung von Treibhausgas- und Luftschadstoffemissionen, sowie •• Messung von Luftschadstoffimmissionen. Diese Aspekte werden derzeit untersucht. ■ Die Autoren bedanken sich beim Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMU) für die Förderung des Forschungsprojektes ELISA II-B, in dessen Rahmen die Forschungsaktivitäten durchgeführt wurden. Ein weiterer Dank gilt der Zusammenarbeit mit den ELISA-Projektpartnern: Die Autobahn GmbH des Bundes, Siemens Mobility GmbH, Entega AG und den assoziierten Transportpartnern. Darüber hinaus wird die Unterstützung durch Scania sehr geschätzt. LITERATUR [1] BMVI (2020): Verkehr in Zahlen 2020/ 2021. 49. Jahrgang, Berlin [2] BMU (2019): Klimaschutz in Zahlen. Fakten, Trends und Impulse deutscher Klimapolitik. Ausgabe 2019, Berlin [3] Boltze, M. (2019): eHighway - An Infrastructure for Sustainable Road Freight Transport. In: CIGOS 2019. Innovation for Sustainable Infrastructure. Lecture Notes in Civil Engineering. Vol. 54, Ha-Minh, C.; Dao, D.; Benboudjema, F.; Derrible, S.; Huynh, D.; Tang, A. (Hrsg.), Singapur: Springer, S. 35-44 [4] BMU (2016): Klimaschutzplan 2050. Klimaschutzpolitische Grundsätze und Ziele der Bundesregierung. Berlin [5] Die Bundesregierung (2021): Klimaschutzgesetz 2021. Generationenvertrag für das Klima. Berlin. www.bundesregierung.de/ bregde/ themen/ klimaschutz/ klimaschutzgesetz-2021-1913672 (Abruf: 17.06.2021) [6] Siemens AG (2012): ENUBA. Elektromobilität bei schweren Nutzfahrzeugen zur Umweltentlastung von Ballungsräumen. Schlussbericht der Siemens AG. Ohne Ort [7] Siemens AG, Technische Universität Dresden, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (2016): ENUBA 2. Elektromobilität bei schweren Nutzfahrzeugen zur Umweltentlastung von Ballungsräumen. Schlussbericht der Verbundforschungspartner Siemens AG, TU Dresden und DLR. München, Dresden, Braunschweig [8] Boltze, M.; Wauri, D.; Riegelhuth, G.; Reußwig, A.; Gurske, D. (2021): B.2 Beschreibung des Projekts ELISA. In: Elektrifizierung von Autobahnen für den Schwerverkehr. Umsetzung des Systems eHighway, Boltze, M.; Lehmann, M.; Riegelhuth, G.; Sommer, H.; Wauri, D. (Hrsg.), Bonn: Kirschbaum Verlag, S. 132-144 [9] Boltze, M.; Linke, R.; Schöpp, F.; Wilke, J. K.; Öztürk, Ö.; Wauri, D. (2020): Insights into the Operation of Overhead Line Hybrid Trucks on the ELISA Test Track. Presentation at 4th Electric Road Systems Conference 2020. www.electricroads.org/ wp-content/ uploads/ 2020/ 05/ ERSC2020-Abstract-Book-Publ.pdf. (Abruf: 27. April 2021) [10] RStudio (2021): RStudio Desktop. Boston (USA) WISSEN WAS MORGEN BEWEGT Schiene, Straße, Luft und Wasser, globale Verbindungen und urbane Mobilität: Viermal im Jahr bringt Internationales Verkehrswesen fundierte Experten- Beiträge zu Hintergründen, Entwicklungen und Perspektiven der gesamten Verkehrsbranche - verkehrsträgerübergreifend und zukunftsorientiert. Ergänzt werden die deutschen Ausgaben durch die englischsprachige Themen-Ausgabe International Transportation. Mehr dazu unter www.internationales-verkehrswesen.de Internationales Verkehrswesen gehört seit 1949 zu den führenden europäischen Verkehrsfachzeitschriften. Der wissenschaftliche Herausgeberkreis und ein Beirat aus Professoren, Vorständen, Geschäftsführern und Managern der ganzen Verkehrsbranche verankern das Magazin gleichermaßen in Wissenschaft und Praxis. Das technisch-wissenschaftliche Fachmagazin ist zudem Wissens-Partner des VDI Verein Deutscher Ingenieure e.V. - Fachbereich Verkehr und Umfeld. INTERNATIONALES VERKEHRSWESEN - DAS TECHNISCH-WISSENSCHAFTLICHE FACHMAGAZIN »Internationales Verkehrswesen« und »International Transportation« erscheinen bei der Trialog Publishers Verlagsgesellschaft, www.trialog-publishers.de IV_Image_halb_quer.indd 1 IV_Image_halb_quer.indd 1 04.04.2018 12: 03: 35 04.04.2018 12: 03: 35