LKW mit Stromabnehmer
von der RWTH Aachen
Innovatives Forschungsprojekt der RWTH Aachen
Das PEM der RWTH Aachen entwickelt elektrifizierte Lkw mit Stromabnehmern und Webasto-Komponenten, um den CO2-Ausstoß auf den Straßen weltweit nachhaltig zu reduzieren. Auch der Straßenverkehr ist entscheidend für eine signifikante und nachhaltige Reduzierung der CO2-Emissionen in der Verkehrswende. Lkw sind für rund zehn Prozent des weltweiten CO2-Ausstoßes verantwortlich. Gleichzeitig sind sie aufgrund ihres hohen Energiebedarfs sowie der langen Strecken, die sie zurücklegen müssen, schwer zu elektrifizieren.
Um dies zu ändern und eine wettbewerbsfähige Lösung für den Güterverkehr zu finden, betreibt der Lehrstuhl Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) der RWTH Aachen, der genau auf diesem Gebiet forscht. Im Rahmen des Projekts LiVePLuS entwickelten die Lehrstuhlspezialisten einen elektrischen Antriebsstrang mit Stromabnehmer und Batterie und setzten diesen mit Unterstützung von Webasto, Systempartner für Elektromobilität, in einem ersten Prototyp um.
Der 2014 gegründete PEM-Lehrstuhl der RWTH – eine der Exzellenzuniversitäten in Deutschland und Spitzenuniversitäten weltweit – erforscht die Kernkomponenten der Elektromobilität. Vier Forschungsgruppen beschäftigen sich mit der Batterie als einer 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 Teil der Emissionen verantwortlich.
Schaut man genauer hin, stellt man fest, dass es vor allem die schweren Nutzfahrzeuge sind, deren Elektrifizierung erhebliche Auswirkungen auf die CO2-Reduktion hätte. Für maximale Effizienz und größtmögliche Wirkung wollen wir uns also genau auf diesen Bereich in unseren Forschungsprojekten fokussieren", erklärt Konstantin Sasse, Teamleiter Battery Engineering & Safety bei PEM.
Verkehrswende möglich machen
Das Hauptziel: anpassungsfähige Module von Antriebsstrangbausteinen zu entwickeln, die individuell an den Anwendungsbereich angepasst werden können. Und so startete im September 2017 das Projekt LiVe, das zunächst verschiedene Technologien wie die Brennstoffzelle oder den Stromabnehmer – einen ausklappbaren Stromabnehmer, der am Fahrzeug montiert ist – auf Basis des batterieelektrischen Fahrzeugs untersuchte. Auf dieser Basis wurde dann im Februar 2020 das Projekt LiVePLuS ins Leben gerufen, das sich auf schwere Lkw mit Batterie und Stromabnehmer konzentrierte.
Um die Forschungsergebnisse zu validieren und die Eignung von Sattelzugmaschinen mit Stromabnehmern nachzuweisen, sollte auch ein Lkw als Prototyp nachgerüstet werden. Diese besteht klassischerweise aus einem Elektromotor und einer Traktionsbatterie, zu der der Stromabnehmer als Schnittstelle zu einem Oberleitungssystem hinzukommt. Eine Sensorik erkennt, ob sich das Fahrzeug auf einer Fahrspur mit Oberleitung befindet und der Stromabnehmer des Lkw ausfährt und an die Oberleitung andockt. Dieser versorgt den Elektromotor mit Strom und lädt gleichzeitig die Batterie auf.
Beide Projekte werden von der VDI/VDE Innovation + Technik GmbH gefördert und vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV) gefördert. "Die Technologie mit Stromabnehmern ist besonders interessant, da die Infrastruktur dafür recht zeitnah umgesetzt werden kann – hier kann bis 2030 bereits viel erreicht werden. Studien haben gezeigt, dass durch den Einsatz von Oberleitungs-Lkw bis 2030 rund 50 Prozent der CO2-Emissionen im Vergleich zu herkömmlichen Lkw eingespart werden können. Geht man noch einen Schritt weiter und betreibt die Oberleitungsanlagen ausschließlich mit erneuerbaren Energiequellen, wäre der reine Betrieb dieser Lkw schon heute CO2-neutral", so Simon Dünnwald, Teamleiter E-Mobility Production Engineering von PEM.
Die von Stromabnehmern gelieferte Energie ist nicht nur aufgrund ihres hohen Gesamtwirkungsgrades sehr effizient, sondern es gibt auch nur wenige Nachteile im Vergleich zu herkömmlichen Lkw. Ähnlich gering sind die Auswirkungen auf die Infrastruktur: Fahrspuren mit Oberleitung können auch von anderen Verkehrsteilnehmern uneingeschränkt genutzt werden. Solche Freileitungen sind derzeit bereits auf Abschnitten der Autobahnen A1 und A9 als Teststrecken installiert. "Simulationen und Studien zeigen, dass die Nachrüstung von rund 30 Prozent des deutschen Autobahnnetzes – etwa 3.200 bis 4.000 Kilometer – mit Oberleitungssystemen ausreicht, um 80 Prozent der schweren Lkw zu elektrifizieren. Wir haben hier also ein enormes Potenzial", sagt Dünnwald.
Komponenten und erstklassiger Support von Webasto
Da derzeit noch keine Stromabnehmer mit rein elektrischem Antrieb auf deutschen Straßen unterwegs sind und die Technologie somit sehr neu ist, konnte die Forschungsgruppe nicht auf ein bereits einsatzbereites System zurückgreifen, sondern musste innovative Lösungen finden. Auch die Anlieferung der Komponenten erwies sich als herausfordernd. "Für unser Forschungsprojekt bauen wir Prototypen in entsprechend kleinen Stückzahlen. Das ist für viele Anbieter nicht attraktiv genug. Auch die technische Verfügbarkeit und die Lieferzeiten der einzelnen Komponenten mussten angemessen sein.
Das Einsatzgebiet der schweren Nutzfahrzeuge schließt bereits einige Marktteilnehmer aus. Und natürlich hatten wir einige Anforderungen an die Komponenten. Statt Prototypenbatterien wollten wir zum Beispiel serienzertifizierte Batterien verbauen, die mit dem Rest des Hochvolt-Bordnetzes kompatibel sind", erklärt Sasse. Da der Platz im Lkw begrenzt ist, musste auch die Größe der Batterien angemessen sein. Nach intensiver Marktbeobachtung und eingehender Recherche fiel die Wahl schließlich auf die Standardbatterie für Nutzfahrzeuge von Webasto.
Das Unternehmen war nicht nur in der Lage, die benötigten Komponenten kurzfristig zu liefern, sondern unterstützte auch tatkräftig mit seinem Expertenwissen. "Wir haben uns eng mit Webasto ausgetauscht und stehen in direktem Kontakt zu allen Abteilungen. Einen Prototyp zu entwickeln bedeutet immer, dass ganz konkrete Fragestellungen auftauchen, für die wir die Meinungen von Experten benötigen. Wir haben sehr eng mit Webasto zusammengearbeitet, zeitnahes Feedback erhalten, alle relevanten Daten erhalten und sogar Unterstützung bei der Inbetriebnahme der einzelnen Komponenten vor Ort erhalten", erklärt Sasse.
Produktseitig kam neben dem Batteriesystem von Webasto auch das Vehicle Interface Gateway (VIG) zum Einsatz. Er ist sehr kompakt und dient als Schnittstelle zwischen Fahrzeug und Batterie und ermöglicht die Ansteuerung von bis zu 16 Batterien. Die Forschungsgruppe entwickelte auf Basis der VIG die sogenannte Power Distribution Unit (PDU). Diese individuelle Kompakteinheit enthält alle wesentlichen Anschlüsse für Batterie, Stromabnehmer und Motor sowie die notwendigen Verteiler- und sonstigen Funktionen.
Von der Theorie zur Praxis
Nach zahlreichen Tests, wie z.B. der bauteilspezifischen Einzelinbetriebnahme und der Inbetriebnahme des Gesamtsystems im Rohzustand, steht der eigentliche Testlauf des Prototyps an. Das Fahrzeug hat bereits mehrere Tests auf der RWTH-Teststrecke durchlaufen. In einem nächsten Schritt wird der Stromabnehmer auf einer weiteren Teststrecke getestet, um zu sehen, ob das Andocken an die Oberleitung reibungslos verläuft.
Anschließend wird der Prototyp im öffentlichen Straßenverkehr unterwegs sein, damit die Forschungsgruppe umfassende Messungen durchführen kann. "Ziel ist es, das System weiter zu optimieren und einen höheren Reifegrad zu erreichen. Wir wollen einen Punkt erreichen, an dem der Baustein des Modulantriebsstrangs nicht nur ausgereift ist, sondern auch von echtem wirtschaftlichem Interesse ist. Wenn die Kosten nicht stimmen, wird das System nicht genutzt. Aber wir sind hier auf einem hervorragenden Weg. Das Projekt hat auch eine hohe gesellschaftliche Relevanz:
Wir hatten bereits Besuch von vielen großen Zulieferfirmen, die begeistert waren, nachdem sie den Prototyp gesehen hatten. Wir sind gespannt, was die Zukunft für unser Projekt bereithält, sind aber ziemlich stolz auf das, was wir bereits 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 begeistert von der Kooperation. "Wir sind stolz darauf, Partner eines so innovativen Projekts zu sein, das das Potenzial hat, den CO2-Ausstoß im Straßenverkehr massiv zu reduzieren. Wir freuen uns darauf, das Projekt auch in Zukunft weiter zu unterstützen und stehen jederzeit gerne mit Produkten und theoretischem Input zur Verfügung", ergänzt Michael Bauer, Vice President Business Line Energy Management bei Webasto.
