Die Rolle des Megawatt-Ladens im zukünftigen batterie-elektrischen Lkw-Verkehr

Rolle des Megawatt-Ladens bei der zukünftigen Elektrifizierung von Lkw

Das Megawatt Charging System (MCS) ermöglicht in Zukunft das Laden mit bis zu 3,75 MW. Es erweitert damit in Bezug auf die Ladeleistung das Combined Charging System (CCS), das derzeit vor allem für das Schnellladen von batterieelektrischen Pkw eingesetzt wird. Heutige CCS-Ladestationen liefern typischerweise bis zu 350 kW. Der MCS-Standard ist notwendig, da Lkw in ihrer vorgeschriebenen Pause von 45 Minuten nach 4,5 Stunden Fahrzeit nachladen müssen. Es wird eine Peakleistung von etwa 1 MW benötigt. In welchem Ausmaß das Laden mit einer Leistung im Megawattbereich erforderlich sein wird, ist derzeit jedoch noch ungewiss. Eine Simulation des Fahrverhaltens der Lkw kann einen ersten Anhaltspunkt liefern.

Simulation des heutigen Diesel-Lkw-Fahrverhaltens als batterieelektrischer Lkw

Die KiD-Erhebung 2010 zum Fahrverhalten liefert für Deutschland ca. 2.400 Tagesfahrprofile von LKW und Sattelzugmaschinen mit Dieselantrieb. Abbildung 1 zeigt die Fahrzeugstichprobe, geclustert nach der Tagesfahrleistung der Fahrzeuge. Für alle Fahrzeuge enthält die Stichprobe Informationen über die Fahrten eines Tages. Eine einzelne Fahrt besteht aus der Startzeit, der Ankunftszeit, der zurückgelegten Entfernung und Informationen über den Zielort (privater oder öffentlicher Standort).

Indem die Fahrzeuge als batteriebetriebene Elektrofahrzeuge simuliert werden, kann die erforderliche Ladeleistung ermittelt werden. Es wird davon ausgegangen, dass Ladevorgänge nur dann stattfinden, wenn der Ladezustand der Batterie vor dem Ende der nächsten Fahrt weniger als 25 % beträgt. Mit anderen Worten: Das Modell versucht, einen Puffer von mindestens 25 % der Reichweite bereitzustellen. Außerdem werden Ladevorgänge nur dann eingeplant, wenn die Pause zwischen zwei Fahrten mindestens 30 Minuten beträgt.

Um Nachfragespitzen zu reduzieren, wird das Laden mit der geringstmöglichen Leistung angenommen, um das Fahrzeug bis zum Ende der Pause vollständig nachzuladen. Zusätzlich gibt es eine maximale Durchschnittsleistung, die nicht überschritten werden kann.

Es wird von einer Reichweite von etwa 500 km und einer maximalen durchschnittlichen Ladeleistung von 1 MW ausgegangen. Die Leistungsspitze kann natürlich höher sein. Diese Werte werden als realistisch für eine breite Markteinführung, z. B. im Jahr 2030 bis 2035, angenommen.

Abbildung 2 zeigt beispielhaft ein einzelnes Fahrprofil mit 568 km Tagesfahrleistung, simuliert für das Jahr 2035. Das Fahrzeug beginnt eine erste Fahrt um 6:30 Uhr und erreicht sein erstes Ziel um 7:45 Uhr nach 112 km. Die vorgesehene Mindestreichweite, die bei der nächsten Fahrt überschritten werden muss, um einen Aufladevorgang zu planen, beträgt 390 km. Die 390 km werden um 14:40 Uhr erreicht. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass die vorangegangene Pause von 25 Minuten zu kurz zum Nachladen ist. Daher findet der Ladevorgang während der nächsten Pause nach 403 km um 15:00 bis 15:30 Uhr statt. Um das Fahrzeug vollständig nachzuladen, ist eine Ladeleistung von durchschnittlich fast 800 kW erforderlich. Um 18:30 Uhr erreicht das Fahrzeug sein endgültiges Ziel und wird während der Nacht mit 14 kW aufgeladen.

Fast die gesamte Flotte kann bald ohne Veränderungen auf batteriebetriebene Lkw umgestellt werden

Für das Jahr 2030 haben wir konservativ eine Fahrzeugreichweite von 450 km und eine durchschnittliche Ladeleistung von 900 kW für Sattelzugmaschinen und 800 kW für Lkw angenommen. Bei dieser Konfiguration können 93 % aller Fahrzeuge elektrifiziert werden. Da diese Fahrprofile jedoch typischerweise eine unterdurchschnittliche Tagesfahrleistung aufweisen, können nur 84 % der Tagesfahrleistung elektrifiziert werden. Es gibt Fahrprofile mit bis zu fünf täglichen Ladevorgängen. Aber 58% aller Fahrprofile benötigen nur einen Ladevorgang, 29% zwei Ladevorgänge. Auf sie entfallen 70 % der täglichen Fahrleistung aller Fahrprofile.

Für das Jahr 2035, mit 500 km Fahrzeugreichweite und einer durchschnittlichen Ladeleistung von 1.100 kW für Sattelzugmaschinen und 1.000 kW für Lkw, steigt der Anteil der elektrifizierbaren Fahrzeuge auf 95%, was 88% der täglichen Fahrleistung entspricht. Maximal zwei Stopps pro Tag ermöglichen 91 % aller Fahrprofile und 78 % der gesamten Tageskilometerleistung.

Langsamladen im Depot ermöglicht batterieelektrischen Lkw-Verkehr, für den Langstreckenbetrieb ist eine Megawattladung erforderlich

Um das Ladeverhalten besser zu verstehen, fassen wir die simulierten Ladevorgänge in drei Leistungsstufen zusammen: (1) Ladeleistung ≤ 44 kW, da diese Stufe mit AC-Laden abgedeckt werden kann, (2) Laden mit durchschnittlich 45 - 350 kW, da diese Stufe heute mit dem bestehenden Combined Charging System (CCS)-Standard abgedeckt werden kann, und (3) Ladung mit mehr als 350 kW, da diese Stufe wahrscheinlich mit dem Megawatt Charging System (MCS)-Standard bedient wird. Es ist möglich, dass künftige Lkw nur noch mit MCS-Steckern für alle Leistungsstufen ausgestattet werden. Die hier vorgenommene Zuordnung enthält keine technische Definition der Ladetechnik, sondern dient der besseren Übersichtlichkeit. Bitte beachten Sie, dass die durchschnittliche Leistung innerhalb einer Gruppe kleiner ist als die obere Grenze, z.B. liegt die durchschnittliche Leistung in der Gruppe 45 - 350 kW unter 350 kW, in der Simulation typischerweise um 200 kW. Die erste Grafik in Abbildung 3 zeigt die gesamte Lkw-Flotte, die technisch elektrifiziert werden kann (fahrende Lkw in dunkelgrau und parkende Fahrzeuge ohne Ladevorgang in hellgrau). Die zweite Grafik zeigt nur ladende Fahrzeuge. Die dritte Grafik enthält nur Fahrzeuge mit einer täglichen Fahrleistung von mindestens 500 km, die als Langstreckenfahrzeuge bezeichnet werden. Es liegt auf der Hand, dass die meisten Ladevorgänge nur das Langsamladen erfordern, zumeist an Depots: 90 % aller langsamen Ladevorgänge finden in Betriebshöfen statt, und 80 % der Ladevorgänge mit 45 bis 350 kW werden in Betriebshöfen durchgeführt. Hochleistungsladungen mit mehr als 350 kW Leistung sind vor allem für Langstrecken-Lkw von Bedeutung, und nur 25 % der MCS-ladenden Lkws befinden sich in Betriebshöfen. In der Regel wird das Schnellladen als Zwischenladen in den Mittagsstunden durchgeführt. Daraus folgt, dass das Depotladen mit geringer Leistung der Hauptladeort für die meisten zukünftigen batterieelektrischen Lkw ist und dass MCS mit hoher Leistung für den Langstreckenbetrieb erforderlich ist.

Die Analyse liefert erste Erkenntnisse mit Potenzial für detailliertere Bewertungen

Die vorgestellte Analyse basiert auf optimistischen Annahmen hinsichtlich der Möglichkeit, fast überall zu laden, wenn das Fahrzeug mindestens 30 Minuten lang parkt. In der Realität dürfte die Planung von Ladevorgängen komplexer sein, insbesondere in den ersten Jahren der Marktdiffusion. Die hier vorgeschlagene Ladestrategie, die das Laden mit der geringstmöglichen Ladeleistung vorsieht, minimiert die zusätzliche Belastung des Netzes. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass das Laden mit hoher Leistung zunehmend genutzt wird, insbesondere in der Öffentlichkeit, um beispielsweise den Bedarf an Ladestationen zu minimieren. Dennoch bleibt die allgemeine Aussage gültig, dass die meisten Ladevorgänge an Depotinfrastrukturen mit geringer Ladeleistung durchgeführt werden können.