Schwerlastverkehr Die elektrifizierte Zukunft des Straßengüterverkehrs

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RWTH Aachen

Mit Komponenten von Webasto entwickelt der Lehrstuhl PEM der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen elektrifizierte Lastkraftwagen mit Pantographen (Stromabnehmer). Ziel war und ist eine nachhaltige Reduktion der CO₂-Emissionen auf den Straßen weltweit.

Für eine deutliche und dauerhafte Reduzierung der CO₂-Emissionen kommt es in der Verkehrswende auch auf den Straßengüterverkehr an. Lastkraftwagen sind für rund zehn Prozent der globalen CO₂-Emissionen verantwortlich. Gleichzeitig sind sie aufgrund ihres hohen Energiebedarfs sowie der weiten Strecken, die sie zurücklegen müssen, schwierig zu elektrifizieren. Um dies zu ändern und eine wettbewerbsfähige Lösung für den Güterverkehr zu finden, forscht der Lehrstuhl „Production Engineering of E-Mobility Components“ (PEM) der RWTH Aachen University auf genau diesem Gebiet. Im Rahmen des Projekts „LiVePLuS“ haben die Spezialistinnen und Spezialisten des Lehrstuhls einen elektrischen Antriebsstrang mit Pantographen und Batterie entwickelt und ihn mit der Unterstützung von Webasto, Systempartner für die Elektromobilität, in einem ersten Prototypen umgesetzt.

Die Verkehrswende möglich machen

Der 2014 gegründete Lehrstuhl PEM der RWTH – einer der Exzellenzuniversitäten in Deutschland und Spitzenuniversitäten weltweit – beschäftigt sich mit den Kernkomponenten der Elektromobilität. Vier Forschungsgruppen konzentrieren sich innerhalb des Lehrstuhls auf die Batterie als eine der Kernkomponenten des elektrischen Antriebsstrangs über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg. „Unser Ziel ist es, neue Wege zu entwickeln, um aktiv CO₂-Emissionen einzusparen. Der Straßenverkehr ist für einen großen Anteil des Ausstoßes verantwortlich. Bei genauerer Betrachtung sind es vor allem die schweren Nutzfahrzeuge, deren Elektrifizierung beträchtliche Auswirkungen auf die CO₂-Reduktion hätte. Für maximale Effizienz und größtmöglichen Impact ist es also genau dieser Bereich, auf den wir uns in unseren Forschungsprojekten konzentrieren wollen“, erklärt Konstantin Sasse, Gruppenleiter Battery Engineering & Safety am PEM.

Das Hauptziel: die Entwicklung eines modular adaptierbaren Antriebsstrang-Baukastens, der sich individuell auf den Anwendungsbereich anpassen lässt. So startete im September 2017 das Projekt „LiVe“, das zunächst auf Basis des batterieelektrischen Fahrzeugs verschiedene Technologien wie Brennstoffzelle oder Pantograph – ein ausklappbarer Stromabnehmer, der auf dem Fahrzeug montiert ist – untersucht. Darauf aufbauend entstand im Februar 2020 das Projekt „LiVePLuS“, das sich auf schwere Lkw mit Batterie und Pantograph fokussiert. Um die Forschungsergebnisse zu validieren und die Eignung von Sattelzugmaschinen mit Pantographen nachzuweisen, sollte auch ein Lkw als Prototyp umgerüstet werden. Dieser besteht klassisch aus Elektromotor und Traktionsbatterie, dazu kommt der Pantograph als Schnittstelle zu einem Oberleitungssystem. Befindet sich das Fahrzeug auf einer Fahrspur mit Oberleitung, erkennt eine Sensorik dies und der Pantograph des Lkw bügelt an die Oberleitung an. So wird der Elektromotor mit Strom versorgt und gleichzeitig die Batterie geladen.

Projektträger beider Projekte ist die VDI/VDE Innovation + Technik GmbH, gefördert werden sie vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV). „Die Technologie mit Pantographen ist besonders interessant, da sich die Infrastruktur dafür recht zeitnah umsetzen lässt – bis 2030 kann man hier bereits viel erreichen. Dazu gibt es Studien, die zeigen, dass durch den Einsatz von Oberleitungs-Lkw bis 2030 rund 50 Prozent der CO₂-Emissionen gegenüber konventionellen Lkw eingespart werden können. Treibt man diese Rechnung noch weiter und betreibt die Oberleitungssysteme ausschließlich mit erneuerbaren Energien, wird der reine Betrieb dieser Lkw bereits Stand heute CO₂-neutral“, weiß Simon Dünnwald, Gruppenleiter E-Mobility Production Engineering des PEM.

Die Energieversorgung mittels Pantographen ist durch seinen hohen Gesamtwirkungsgrad nicht nur sehr effizient, es gibt dazu nur wenige Nachteile gegenüber konventionellen Lkw. Ebenfalls sind die Auswirkungen auf die Infrastruktur gering: Fahrstreifen, die von Oberleitungen überspannt werden, können auch von anderen Verkehrsteilnehmenden uneingeschränkt genutzt werden. Aktuell sind derartige Oberleitungen bereits auf Teilabschnitten der A1 und der A9 als Teststrecken installiert. „Simulationen und Studien zeigen, dass es ausreicht, rund 30 Prozent des deutschen Autobahnnetzes – rund 3.200 bis 4.000 Kilometer – mit Oberleitungssystemen nachzurüsten, um 80 Prozent der schweren Lkw zu elektrifizieren. Das Potenzial ist hier also enorm groß“, so Dünnwald.

Komponenten von Webasto

Da es auf deutschen Straßen noch keine Pantographen-Lkw gibt, die rein elektrisch fahren, und die Technologie damit sehr neuartig ist, konnte die Forschungsgruppe nicht auf ein bereits fertiges System zurückgreifen, sondern musste innovative Lösungsansätze finden. Und auch die Lieferung der Komponenten stellte sich als Herausforderung dar. „Wir bauen für unser Forschungsprojekt Prototypen in entsprechend kleiner Stückzahl. Für viele Zulieferer ist dies nicht attraktiv genug. Dazu mussten auch technische Verfügbarkeit und Lieferzeiten der einzelnen Komponenten passen. Das Einsatzgebiet der schweren Nutzfahrzeuge schließt manche Marktteilnehmende bereits aus. Und selbstverständlich hatten wir einige Anforderungen an die Komponenten. Beispielsweise wollten wir keine Prototypen-Batterien verbauen, sondern serienzertifizierte Batterien, die kompatibel zum restlichen Hochvolt-Bordnetz sind“, führt Sasse aus.

Da das Platzangebot im Lkw gering ist, musste auch die Größe der Batterien passen. Nach intensiver Marktbetrachtung und eingehender Recherche fiel die Wahl schließlich auf das Standard-Batteriesystem für Nutzfahrzeuge von Webasto. Das Unternehmen konnte nicht nur die benötigten Komponenten kurzfristig liefern, sondern hat auch mit seinem Expertenwissen tatkräftig unterstützt.

„Wir konnten uns eng mit Webasto austauschen und haben direkten Kontakt zu allen Fachbereichen. Bei der Entwicklung eines Prototyps entstehen immer sehr spezifische Fragen, für die wir Meinungen von Expertinnen und Experten benötigen. Mit Webasto war die Zusammenarbeit sehr eng, wir haben zeitnah Rückmeldung erhalten, alle relevanten Daten bekommen und sogar Unterstützung bei der Inbetriebnahme der Einzelkomponenten vor Ort“, erklärt Sasse. Produktseitig kam neben dem Batteriesystem von Webasto auch das Vehicle Interface Gateway (VIG) zum Einsatz. Es ist sehr kompakt und dient als Schnittstelle zwischen Fahrzeug und Batterien und erlaubt die Steuerung von bis zu 16 Batterien. Auf Basis der VIG entwickelte die Forschungsgruppe die sogenannte Power Distribution Unit (PDU). Diese individuelle, kompakte Einheit beinhaltet alle Hauptanschlüsse für Batterie, Pantograph und Motor sowie die notwendige Verteilung und weitere Funktionen.

Von der Theorie zur Praxis

Nach zahlreichen Tests wie komponentenspezifischen Einzelinbetriebnahmen und der Inbetriebnahme des Gesamtsystems im unverbauten Zustand steht die reale Erprobung des Prototyps an. Dazu hat das Fahrzeug auf der Teststrecke der RWTH bereits mehrere Tests durchlaufen. Als nächster Schritt steht der Test des Pantographen auf einer weiteren Teststrecke an, auf der erprobt wird, ob der Prozess des Anbügelns an die Oberleitung reibungslos abläuft.

Im Anschluss wird der Prototyp im öffentlichen Straßenverkehr unterwegs sein, sodass die Forschungsgruppe umfangreiche Messungen durchführen kann. „Ziel ist es, das System weiter zu optimieren und einen höheren Reifegrad zu erreichen. So wollen wir an einen Punkt kommen, an dem der modulare Antriebsstrang-Baukasten nicht nur ausgereift, sondern auch wirtschaftlich wirklich interessant ist. Wenn die Kosten nicht stimmen, wird das System keine Nutzung finden. Hier sind wir aber auf einem sehr guten Weg. Dazu hat das Projekt eine hohe gesellschaftliche Relevanz: Wir hatten schon Besuch von vielen großen Zuliefererfirmen, die sich den Prototypen angesehen haben und begeistert waren. Wir sind gespannt, was die Zukunft unseres Projektes bereithält, sind aber jetzt bereits stolz auf das, was wir erreicht haben. Und mit Webasto haben wir einen Partner gefunden, der uns umfassend unterstützt und gemeinsam mit uns die Dekarbonisierung des Güterverkehrs vorantreibt“, so Dünnwald abschließend.

Und auch Webasto ist von der Kooperation begeistert. „Wir sind stolz, Partner eines Projekts zu sein, das so innovativ ist und das Potenzial hat, CO₂-Emissionen im Straßenverkehr massiv zu reduzieren. Wir freuen uns, das Projekt auch zukünftig weiter zu begleiten und stehen jederzeit gerne mit Produkten und theoretischem Input zur Seite“, ergänzt Michael Bauer, Vice President Business Line Energy Management bei Webasto. (bm)

* Kai Faulbaum ist Communications Manager bei der Webasto Thermo & Comfort SE in 82205 Gilching, Tel. +49 89 8579483734, kai.faulbaum@webasto.com

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