Zukunft wird elektrisch – auch im Verkehr

Der Transportsektor ist für einen erheblichen Teil der Treibhausgasemissionen im Straßenverkehr verantwortlich – knapp 40 Prozent entfallen auf Nutzfahrzeuge. Der Schwerpunkt liegt dabei auf schweren Diesel-Lkw. Für eine schnelle Dekarbonisierung des Verkehrssektors und damit für die Erreichung der Klimaziele muss daher insbesondere diese Fahrzeugklasse adressiert werden.

Mögliche Antriebsenergieträger sind synthetische Kraftstoffe, Wasserstoff und Batterien. Batterieelektrische Lkw weisen mit einem Gesamtwirkungsgrad (Well-2-Wheel) von 75 Prozent einen fast dreimal so hohen Wirkungsgrad auf wie wasserstoffbetriebene Lkw. Derzeit ist davon auszugehen, dass Wasserstoff als Energieträger in anderen Sektoren vorteilhafter eingesetzt werden kann. Trotz der derzeit hohen Stromkosten in Deutschland sind deutliche Gesamtkostenvorteile für batterieelektrische Lkw zu erwarten. Alle großen Lkw-Hersteller bieten daher bereits heute oder in naher Zukunft batterieelektrische Fahrzeuge an, die sowohl im Verteilerverkehr als auch im Fernverkehr eingesetzt werden können.

Die Kostenvorteile batterieelektrischer Lkw ergeben sich aus mehreren Faktoren, wie beispielsweise dem geringen Wartungsaufwand oder der derzeitigen Mautbefreiung. Zukünftig wird ein wesentlicher Teil der Kostenvorteile auch aus der Reduktion der Energiekosten resultieren. Durch eine intelligente Kopplung von Fahrzeug und Energiesystem können insbesondere die Standortenergiekosten eines zukünftig elektrifizierten Logistikdepots gesenkt werden. Eine solche Kopplung mit dem Ziel minimaler Energiekosten ist die zentrale Aufgabe des Lademanagements von batterieelektrischen Lkw-Flotten.

Lademanagement ist einer der zentralen Enabler

Gerade im Nah- und Verteilerverkehr haben Lkw lange Standzeiten im Depot. Für batterieelektrische Lkw ist es daher sinnvoll, Ladevorgänge nicht direkt beim Anschluss der Fahrzeuge an die Ladesäule zu starten, sondern den Ladevorgang in ein günstigeres Zeitfenster zu verschieben oder zu strecken, um hohe gleichzeitige Leistungen zu vermeiden. Bei bidirektionalen Fahrzeugen kommt ein weiterer Freiheitsgrad hinzu, da diese auch gezielt entladen werden können.

Durch die Verschiebung von Lade- oder Entladevorgängen können Spediteure ihre Energiekosten senken. Auch das Stromnetz bzw. das Energiesystem kann profitieren, da durch die Verschiebung die Netzbelastung reduziert werden kann oder nur dann geladen wird, wenn erneuerbare Energie zur Verfügung steht. Die Kostenreduktion im Depot kann durch verschiedene Ladestrategien oder Anwendungsfälle erreicht werden. Die unten links skizzierte Abbildung zeigt die auftretenden Energieströme.

Depots mit PV-Anlagen können vor allem durch Eigenverbrauchsoptimierung Ladevorgänge in Zeiten mit verfügbarem PV-Strom verschieben. Durch bidirektionale Fahrzeuge kann der PV-Strom bei der Erzeugung in den angeschlossenen Fahrzeugen gespeichert werden und durch Entladung der Fahrzeuge zu einem späteren Zeitpunkt das Gebäude (Vehicle-to-Building: V2B) oder andere Fahrzeuge (Vehicle-to-Vehicle: V2V) kostengünstig versorgen.

Im Use-Case Peak-Shaving wird die Spitzenlast des Betriebshofs reduziert, um dessen Netzentgelte, die einen erheblichen Anteil der Stromkosten ausmachen, zu senken. Dies kann durch Verschieben von Ladevorgängen in Schwachlastzeiten oder durch Entladen (V2V oder V2B) in Hochlastzeiten erreicht werden.

Ein weiterer Anwendungsfall ist die zeitliche Arbitrage. Dafür wird ein variabler Stromtarif benötigt, also ein Stromtarif, bei dem Verbraucher:innen je nach Zeit unterschiedliche Preise zahlen und der sich in der Regel direkt an den Preisen der Strombörse orientiert.

Herausforderungen der Netzintegration

Bei der zeitlichen Arbitrage werden die Lkw bei niedrigen Strompreisen geladen und bei hohen Strompreisen entladen und dabei Energie ins Netz zurückgespeist (Vehicle-to-grid: V2G). Durch die Preisdifferenz können so Einnahmen generiert werden. Auch eine Kombination der Anwendungsfälle ist möglich.

Die Forschungsstelle für Energiewirtschaft (FfE) hat ein Simulationstool zur Optimierung von Ladevorgängen im Depot entwickelt. Mithilfe dieses Modells wurde im Forschungsprojekt NEFTON (Nutzfahrzeugelektrifizierung für Transportsektor-optimierte Netzanbindung) für ein reales Beispieldepot die Kombination der genannten Anwendungsfälle optimiert und die resultierenden Ladekosten ermittelt.

Es wurde ermittelt, dass das untersuchte Depot durch bidirektionales Laden Energiekosten von circa 2.200 Euro pro Jahr und Fahrzeug einsparen kann. Im Extremfall sind sogar Einsparungen von über 10.000 Euro pro Fahrzeug möglich. Um die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Betriebshöfe zu überprüfen, sollen die Berechnungen für weitere Betriebshöfe durchgeführt und verglichen werden.

Um die aufgezeigten Möglichkeiten einer effizienten Netzintegration nutzen zu können, müssen derzeit noch bestehende technologische und vor allem regulatorische Hürden überwunden werden. Mit der Verfügbarkeit bidirektionaler Fahrzeuge wird ab 2027 gerechnet, analog gilt dies für entsprechend leistungsfähige bidirektionale Ladepunkte. Sowohl V2V als auch V2B sind somit technologisch realisierbar.

Um Energie ins Netz einspeisen zu können, müssen bidirektionale Ladestationen analog zu Batteriespeichern als Erzeugungsanlage angemeldet werden. Für die Umsetzung der zeitlichen Arbitrage ist ein variabler Bezugs- und Einspeisetarif erforderlich, der derzeit kaum angeboten wird.

Ganzheitliche Betrachtung und Optimierung

Das definitiv größte Hemmnis für V2G ist derzeit jedoch die fehlende Befreiung von staatlichen Abgaben und Umlagen für bidirektionale Elektrofahrzeuge. Für stationäre Batteriespeicher gibt es solche Befreiungen.

Zumindest für Energie, die im Fahrzeug nur zwischengespeichert und anschließend wieder ins Netz eingespeist wird, ist eine solche Befreiung zwingend erforderlich, um V2G wirtschaftlich erfolgreich zu machen und damit die Elektrifizierung für Logistikunternehmen noch attraktiver zu gestalten. Um die aufgezeigten Möglichkeiten des Lastmanagements und die damit verbundenen Vorteile nutzen zu können, sind ganzheitliche Systeme und deren Vernetzung notwendig. So ist zum Beispiel eine Verknüpfung der Disposition mit Standort-Energie- und Lademanagementsystemen unabdingbar. Eine effiziente Einsatzplanung der Fahrzeuge kann nur unter Berücksichtigung der Lademöglichkeiten und der aktuellen Fahrzeugreichweiten gelingen.

Intelligente Softwarelösungen speziell für batterieelektrische Lkw werden in den nächsten Jahren erwartet und bieten große Chancen zur Effizienzsteigerung für Spediteure. Im Rahmen von Forschungsprojekten arbeiten FfE und TUM bereits heute an ganzheitlichen Lösungen für die Elektrifizierung des Verkehrs.