Artikelaktualisierung Zukunft MobilitätEs ist recht spannend, wenn man aktuelle Entwicklungen in der Straßengüterverkehrsbranche betrachtet. In den USA sind  mit Erdgasantrieb aufgrund der gestiegenen Dieselpreise und verschärften Emissionsrichtlinien auf dem Vormarsch. Unter gewissen Voraussetzungen ist es mit gasbetriebenen möglich, die Abhängigkeit von Öl sowie den Emissionsausstoß des Straßengüterverkehrs zu mindern.

Durch strukturelle Änderungen der Verteilernetze ist die kürzere Reichweite mit einer Tankfüllung von 350 bis 400 Kilometern kein Problem. Das Interstate Highway-Netz gibt die Struktur des notwendigen Tankstellen-Netzes vor, durch die Veränderung weg von reinen Linienverkehren hin zu Hub-and-Spoke-Netzes sinken die Fahrweiten.

Jedoch ist die  von mit Flüssigerdgas betriebenen Fahrzeugen im Vergleich zu dieselbetriebenen Fahrzeugen niedriger. Der Energiegehalt von Flüssigerdgas liegt 23% unter dem Energiegehalt von Diesel. Hinzu kommt ein höheres Fahrzeuggewicht durch die isolierten Tanks, die je etwa 230 Kilogramm zusätzliches Gewicht bedeuten. Nichtsdestotrotz könnten LNG-Trucks insbesondere in Nordamerika an Bedeutung gewinnen.

Elektrifizierung der Lkw-Flotte

Ein weiterer Trend im Lkw-Bereich ist die zunehmende Elektrifizierung der Flotten. Zunehmend werden Hybrid-Versionen auf den Markt gebracht. Alle großen Hersteller haben entsprechende Fahrzeuge mittlerweile in Feldversuchen getestet. Die Wirkungsgrade moderner Motoren sind nur noch in Grenzen steigerbar, strengere Abgasnormen und steigende Anforderungen an die Transporteffizienz stellen die Nutzfahrzeughersteller allerdings weiterhin vor große Herausforderungen. Problematisch ist zurzeit vor allem das Fehlen einer für den Nutzfahrzeug-Bereich tauglichen Batterie. Der Fahrzeugmehrpreis, die erhöhten Wartungskosten und die begrenzte Lebensdauer der Hochleistungskondensatoren (im NFZ-Bereich kommt vorrangig der Parallelhybrid zum Einsatz) lassen die Anschaffung entsprechender Nutzfahrzeuge derzeit noch unattraktiv erscheinen. In der kostensensitiven Transportbranche dürfte der im Fernverkehr noch einige Jahre auf sich warten lassen.

Andere Konzepte versuchen, auf schwere und teure Batterien zu verzichten. MAN-Vorstandssprecher Georg Pachta-Reyhofen sagte auf dem Nutzfahrzeugsymposium des Verbandes der Automobilindustrie im Jahr 2011, dass eine Batterie für schwere Nutzfahrzeuge etwa sechs Tonnen wiegen und im günstigsten Fall 300.000 Euro kosten würde. Heutige Brennstoffzellen sind für 10.000 bis 15.000 Betriebsstunden ausgelegt, was für den Pkw-Verkehr mit seinen hohen Standanteilen ausreichend sein dürfte. Im ist die Nutzungsdauer allerdings viel zu gering. Die kontaktlose Stromübertragung mittels Induktion wäre ebenfalls denkbar, allerdings sind die Schutzsysteme vor magnetelektrischer Strahlung sehr aufwendig und der Wirkungsgrad im Vergleich zur direkten Stromabnahme an einem Fahrdraht geringer.

Um den Güterverkehr abseits schwerer Batterien und technisch noch nicht ausgereifter Konzepte dennoch elektrifizieren und dadurch effizienter und umweltfreundlicher gestalten zu können, wurden in jüngster Vergangenheit einige Ansätze vorgestellt, die auf konduktive Übertragungswege setzen.

Den Anfang machten die Unternehmen Swedish Electrical Roads, Volvo Powertrain Corporation AB, Scania CV AB, Balfour Beatty Rail AB, ELFORSK AB, Mälardalen University, BAE Systems Hägglunds AB und das schwedische Verkehrsministerium mit ihrem Vorschlag, in Schweden eine einhundert Kilometer lange Strecke mit Fahrdraht zu versehen und die zum Antrieb notwendige Energie aus der Oberleitung zu beziehen.

Siemens folgte mit dem eHighway, dessen Konzept Anfang Mai 2012 auf dem 26. Electric Vehicle Symposium in vorgestellt wurde. Das eHighway-Konzept ist das Ergebnis des Forschungsprojekts “” (kurz: ENUBA), das vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit mit 2,16 Millionen Euro (Gesamtkosten bisher: 5,4 Millionen Euro) gefördert wurde. Das gesamte Konzept inklusive Teststrecke wurde innerhalb von 15 Monaten umgesetzt, der Verwendung von Bahntechnik sei Dank.

Genau wie herkömmliche Lkw verfügt auch der im eHighway-System genutzte Lkw über einen Verbrennungsmotor. Im Dieselbetrieb wird dessen Leistung an einen Generator übertragen, der wiederum den nachgeschalteten Elektromotor und damit die Kardanwelle antreibt. Für Generator und Fahrmotor wurden permanent erregte Drehstrom-Synchronmaschinen gewählt, da der Wirkungsgrad bei selbsterregten Motoren im Vergleich zu elektrisch erregten Motoren höher ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lkw überprüft ein in den eHighway-Fahrzeugen verbauter Laser-Scanner kontinuierlich, ob die Fahrbahn über eine Oberleitung verfügt. Ist diese vorhanden, wird der Pantograph an die Oberleitung angelegt und der Elektromotor direkt mit elektrischer Energie versorgt. Bei Fahrdrahtunterbrechung stellt der eHighway-Lkw automatisch auf den Diesel-Hybridantrieb um.

Neben Diesel können auch Benzin- oder Flüssiggasmotoren eingebaut werden. Ebenso möglich wäre der Einbau von Brennstoffzellen, Gasturbinen und Batterie-Stacks.

Für den Testbetrieb wurden zwei serienmäßige 18-t-Lkw von Mercedes Benz umgerüstet.

Entstehende Bremsenergie kann entweder in Kondensatoren im Fahrzeug gespeichert oder wieder zurück in das Netz gespeist und dort von anderen Lkw in unmittelbarer Nähe genutzt werden. Auf viel befahrenen Autobahnen sollte das Finden eines Abnehmers kein Problem sein. Falls die rekuperierte Energie nicht direkt im Netz gespeichert werden kann, wäre eine Zwischenspeicherung durch Schwungräder, etc. denkbar. 

Die Infrastruktur

Der benötigte Traktionsstrom wird mit Transformator und Gleichrichter aus dem öffentlichen Mittelspannungsnetzstromnetz entnommen und der Drehstrom in Gleichstrom mit 650 Volt Spannung umgewandelt. Ein gesteuerter Wechselrichter speist Rekuperationsstrom in das öffentliche Mittelspannungsnetz zurück.

Eine Spannung von 650 Volt wurde als Kompromiss gewählt, um die Anschaffungskosten der Fahrzeuge nicht allzu teuer werden zu lassen. Eine Spannung von 1 kV oder sogar 3 kV wäre fahrleistungstechnisch durchaus denkbar gewesen. Laut Siemens soll die Rentabilitätsschwelle für den Fahrzeugeigentümer bereits nach einigen zehntausend Kilometern Fahrleistung überschritten werden.

Die Straße wird mit zwei parallelen Fahrdrähten im Abstand von 1,35 Meter ausgestattet. Gummibereifte Fahrzeuge benötigen stets ein zweipoliges System mit Hin- und Rückführung des Stroms. Der Fahrdraht selbst ist ein aufgehängtes Kettenwerk mit ein- und auszweigenden Fahrdrähten. Tragseil und Fahrdraht werden für eine verschleißarme Stromübertragung über eine Nachspanneinrichtung im Inneren der Abspannmasten ständig mechanisch nachgespannt. Die Unterwerke sind platzsparend in Containern untergebracht, müssen allerdings aufgrund der geringen Spannung alle 2.000 bis 3.000 Meter installiert werden.

Das System wird derzeit auf eine Teststrecke nahe Berlin ausgiebig getestet. Mehr als 8.500 Kilometer Testfahrten wurden bislang, auch mit Anhänger und 40 Tonnen Gesamtgewicht, durchgeführt:

Der Stromabnehmer

Der Stromabnehmer basiert auf zwei Obus-Stromabnehmern als Tragarm, die über einen Querträger aus Glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) miteinander verbunden sind. Die beiden Peitschen wurden auf sechs Meter eingekürzt. Der Hub des Stromabnehmers beträgt 1,10 Meter.

Die beiden auf dem Querträger befestigten Schleifleisten-Wippen stammen aus der Bahntechnik. Die Position und die Andruckkraft an die Fahrleitung werden mittels mehrerer Sensoren, einem elektrischen Servomotor und pneumatischer Muskeln gesteuert. Dieses System gleicht Fahrbewegungen aus und mindert den Verschleiß.

Um etwaige Kurzschlüsse und andere elektronische Störungen zu vermeiden, sind mehrere Sicherheitsvorkehrungungen getroffen worden. Am Ende der Schleifleisten befindet sich jeweils ein Hörnchen aus nicht-leitendem Material.

Da die Fahrerkabine an allen vier Lagerpunkten mit Luftfedern ausgestattet ist, neigt sich die Kabine insbesondere bei Bremsvorgängen nach vorne. Aus diesem Grund war eine Befestigung des Stromabnehmers direkt auf dem Kabinendach nicht möglich. Der Stromabnehmer und die dazugehörige Elektronik sind nun in einem ein Meter langen Gehäuse untergebracht, das direkt am Grundgestell befestigt ist. Diese Konstruktionsweise verringert den Laderaum um einen Meter.

Der Stromabnehmer wurde in weniger als einem Jahr neu konzipiert. Am 28.08.2010 erging der Auftrag mit dem Arbeitstitel “Invers-Trolley” an die Abteilung in Berlin. Bereits am 22.06.2012 war der in die Lkw integrierte Pantograph überführungsbereit.

Steuerungstechnik

Die Steuerung des Systems wird von zwei Bordrechnern übernommen. Der Pantograph Control Computer (PCC) steuert die Stromabnehmer, der Scanner-Computer ist für die Signalverarbeitung des Laserscanners zuständig. Die Software basiert auf einem speziellen Framework, das plattunabhängig verwendet werden kann. Über ein VPN und eine UMTS-Verbindung kann von außerhalb auf die Steuerrechner zugegriffen werden und beispielsweise Werkstätten die Möglichkeit gegeben werden, über Smartphone-Anwendungen den Systemzustand festzustellen.

Ein Laserscanner, der unterhalb des vorderen Kennzeichens montiert ist, scannt in 30 ms-Abständen ein bestimmtes Winkelsegment und das nachgelagerte Licht. Aus diesen Informationen wird die Geometrie der Oberleitung bestimmt und mit der aktuellen Fahrposition abgeglichen. Bei einem Komplettausfall des Rechnersystems erkennen induktive Sensoren an der Wippe weiterhin die Lage der Oberleitung. Der Stromabnehmer wird dennoch aus Sicherheitsgründen abgebügelt.

Des Weiteren werden durch Sensoren die Winkellage der Seitenarme zur Höhenerkennung und die Seitenlage des Mittelarms überwacht. Ebenfalls verbaut sind Beschleunigungssensoren zur Erkennnung von Brems- und Beschelunigungsvorgängen und Drucksensoren zur Steuerung und Überwachung der pneumatischen Aktorik. Ebenfalls überwacht wird die sichere Verriegelung des Stromabnehmers in der Parkposition.

Vorteile:

  • Umweltfreundliches Konzept für Transportaufgaben, die vom Schienengütervekehr nur schlecht oder gar nicht durchgeführt werden können (Eil- und Paketdienste, Punkt-zu-Punkt Verkehre)
  • Reduktion von CO2-Emissionen (abhängig von der Stromproduktion), weitere Reduktion von Stickoxiden (Problem bei Euro 6-Motoren weiter verringert, Problem Stickstoffdioxid) und Feinstaub / Dieselruß
  • höherer Wirkungsgrad von Elektromotoren (bis zu 97%) gegenüber Verbrennungsmotoren (~ 40 Prozent)
  • Mischbetrieb mit herkömmlichen Nutzfahrzeugen möglich
  • höhere Energieeffizienz durch Rekuperation von Bremsenergie und dem möglichen Einspeisen in das öffentliche Stromnetz
  • Hohe Flexibilität durch Elektro- / Dieselelektrischer / Diesel-Betrieb
  • Keine Umstellung für Fahrer und Spediteur dank des hohen Automatisierungsgrads
  • höhere Beschleunigungswerte, Vorteil auf Strecken mit extremen Steigungswerten
  • Verringerung der Erdölabhängigkeit des Transportsektors
  • Verringerung des Gewichts durch Verzicht auf das Schaltgetriebe und bei Einbau von Radnabenmotoren durch Verzicht auf Kardanwelle und Ausgleichsgetriebe
  • keine Verminderung von Achslast und Ladekapazität

Nachteile:

Die Neueinführung eines Systems ist immer mit Herausforderungen verbunden, die zunächst natürlich nachtteilig erscheinen. Die Implementierungskosten sollten aber für eine richtige Bewertung allerdings in Kontext zu den Vorteilen gesetzt werden, insbesondere die gesunkenen Gesundheitskosten durch bessere Luftqualität.

  • Hohe Investitions- und Implementierungskosten:
    Für die Elektrifizierung eines Kilometers Autobahn rechne ich mit Kosten zwischen zwei und drei Millionen Euro je Kilometer (vgl. auch VDI Nachrichten vom 27.04.2012). Die Kosten sind abhängig von den Streckengegebenheiten. So könnten beispielsweise Querungsbauwerke aufgeweitet werden müssen. Bei Brückenbauwerken könnte es nötig sein, den Überbau durch eine Stahlbeton-Fahrbahnwanne zu ersetzen, da die notwendigen Fahrleitungsmasten aus statischen Gründen nicht direkt im Brückenbauwerk verankert werden können.
  • Ein weitere Problem könnte die Erdung von Oberleitungen bei Unfällen, etc. sein. Hier müssten die Strukturen der Feuerwehren und anderer Hilfskräfte angepasst werden und entsprechende Erdungssätze beschafft werden. Hinzu kommt die flächendeckende Ausbildung der Feuerwehrleute. Für die Übernahme dieser Aufgaben wären die entsprechenden rechtlichen Voraussetzungen zu schaffen.
    Interessant wird auch der Abstand der Unterwerke, die Länge des versorgten Leitungsnetzes durch ein Unterwerk und die Ausfallsicherheit bzw. Redundanz (auch im Falle eines Unfalls).
  • Forschungsbedarf besteht sicherlich auch in Sachen Energiebedarf von schweren Nutzfahrzeugen und der entsprechenden Stromversorgung.  

Interstate Highway 710 (I-710) – Die prädestinierte Strecke

Der Zugang zum Hafen von Los Angeles mit rund 30 Quadratkilometer Fläche und 7,8 Millionen TEU Umschlag und der Zugang zum Hafen von Long Beach mit rund 6,3 Millionen TEU Umschlagvolumen liegen ganze fünf Meilen auseinander. Die Hafengebiete grenzen direkt aneinander an. Über beide Häfen kommen rund 40 Prozent aller Importgüter in die USA. Die Häfen in der San Pedro-Bucht sind die größten in Nordamerika und das Umschlagvolumen soll sich von 14 Millionen TEU (2010) auf rund 43 Millionen TEU im Jahr 2035 steigern.

Neben der Schienenanbindung verbindet der I-710 beide Häfen miteinander. Sowohl see- als auch landseitig herrscht Dauerstau, sodass Experten davon ausgehen, dass der Hafenkomplex seine technische Kapazität bereits überschritten habe. Um die Kapazität zu erhöhen sollen neue Terminalanlagen errichtet werden, was eine Anpassung der landseitigen Anbindung ebenfalls notwendig macht.

Zurzeit befahren mehr als 25.000 Lkw am Tag den Interstate 710. Durch eine weitere räumliche Separierung wird der Verkehr noch weiter zunehmen. Um der wachsenden Verkehrsmenge gerecht zu werden, soll der I-710 nun ausgebaut werden.

Mit einer separaten Lkw-Hochstraße sollen Personen- und Güterverkehr entkoppelt und gleichzeitig die Emissionen gesenkt werden. Indem die Interstate 710 zum ersten eHighway weltweit wird, soll der Shuttleverkehr zwischen beiden Terminals besser fließen und gleichzeitig die Luftqualität gesteigert werden.

Warten wir ab, welche Erfahrungen mit der Pilotstrecke und der Strecke zwischen den Häfen Long Beach und Los Angeles entlang der Interstate 710 gemacht werden. Weitere Informationen zum eHighway lassen sich bei Siemens finden.

Eisenerztransporte zwischen Kaunisvaara und Svappavaara

Die eHighway-Technologie könnte auch für den Transport von Eisenerz zwischen den Minen bei Kaunisvaara und dem Verladeterminal in Svappavaara genutzt werden. Siemens und Scania haben gemeinsam einen Lkw entwickelt, der auf der 162 Kilometer langen Strecke zum Einsatz kommen könnte. Weitere Informationen zu dem geplanten Einsatz in Nordschweden finden Sie hier.