CO2-Minderung im leichten Nfz-Verteilerverkehr: generator-elektrischer Antrieb verknüpft Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit

Ab 2025 müssen die in der Europäischen Union neu zugelassenen Nutzfahrzeuge spezifische Emissionsziele erreichen. Bei zu hohen Emissionen werden Strafzahlungen von bis zu 65.000 Euro pro verkauftem Fahrzeug fällig. Als Alternative bietet sich, speziell für Fahrzeuge des leichten Verteilerverkehrs, das im Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF patentierte Konzept des generator-elektrischen Antriebs an. In einem Forschungsprojekt zum »Hocheffizienten Antriebsstrang für Nutzfahrzeuge unter Berücksichtigung der nationalen Mobilitäts- und Wasserstoffstrategie« (HANNAe) standen biogene Kraftstoffe, eine Wärmekraftmaschine im Stationärbetrieb sowie der Energiespeicher zur vollständigen Integration der Rekuperationsenergie im Fokus. Gemeinsam mit dem Produktbereich »Neue Antriebssysteme« des Fraunhofer ICT sowie den Instituten Fraunhofer IMM und ISE haben die Forschenden des Fraunhofer LBF einen speziellen, für die Anforderungen des leichten Nfz-Verteilerverkehrs optimierten generator-elektrischen Antriebsstrang ausgelegt. Er verbindet in besonderer Weise Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit. Näheres vermittelt ein Online-Workshop des Fraunhofer LBF am 20. Oktober 2021 von 9.00 – 12.00 Uhr.

In Deutschland werden mehr als 70 Prozent des gesamten Güterverkehrs auf der Straße abgewickelt. Es sind gerade die mittleren Lkw im leichten Verteilerverkehr, die ihre Nutzlastkapazität unterdurchschnittlich ausnutzen und deshalb besonders hohe Emissionen je Tonnenkilometer aufweisen. Batterieelektrische Lkw für diese Transportaufgaben sind emissionsfrei, allerdings auch schwer und teuer: Im Verteilerverkehr benötigen sie für eine Fahrstrecke von 200 Kilometern eine Batteriekapazität von deutlich mehr als 200 Kilowattstunden (kWh), was einer Zusatzmasse von rund 2,5 Tonnen entspricht und die Fahrzeugkosten mehr als verdoppelt.

Generator-elektrischer Antrieb für 12-Tonnen-Lkw

Ein wirtschaftlicher und sofort verfügbarer Weg zur emissionseffizienten Traktionsenergie ist die Nutzung generatorisch produzierter elektrischer Energie. Dazu dienen effiziente, stationär betriebene Wärmekraftmaschinen für die mittlere Traktionsleistung sowie elektrische Maschinen zur Umwandlung der kinetischen Energie bei der Fahrzeugverzögerung. Im Rahmen des Forschungsprojektes zum »Hocheffizienten Antriebsstrang für Nutzfahrzeuge unter Berücksichtigung der nationalen Mobilitäts- und Wasserstoffstrategie« (HANNAe) haben Forschende des Fraunhofer LBF gemeinsam mit dem Produktbereich »Neue Antriebssysteme« des Fraunhofer ICT sowie Wissenschaftler*innen von Fraunhofer IMM und ISE einen speziellen, für die Anforderungen des leichten Nfz-Verteilerverkehrs optimierten generator-elektrischen Antriebsstrang ausgelegt. Dessen zentrale Komponenten sind ein für den Betrieb mit biogenen gasförmigen Brennstoffen ausgelegter 3-Zylinder Motor mit einer konstanten Leistung von 50 kW sowie ein 32 kWh großer Energiespeicher mit Lithium-Eisenphosphat-Hochleistungszellen. Die damit für den Antrieb des generator-elektrischen Fahrzeugs (GEV) zur Verfügung stehende Leistung und Energie reichen für typische Tagesfahrstrecken von bis zu 300 Kilometer vollkommen aus und bedeuten keine Einschränkungen gegenüber konventionellen Diesel-Lkw.

Perspektiven der GEV-Technologie

»Mit der auf die durchschnittliche Leistungsanforderung im leichten Verteilerverkehr ausgelegten stationären Wärmekraftmaschine sowie dem besonders kompakten Hochleistungsenergiespeicher für Spitzenleistungen bis 250 kW sind die Komponenten der GEV-Technologie besonders masse- und kosteneffizient. Aufgrund der deutlich reduzierten Kraftstoffkosten würde sich der Mehrpreis des generator-elektrischen Lkw innerhalb von zwei Jahren amortisieren und die CO2-Emissionen deutlich reduziert«, erklärt Rüdiger Zinke, der das Projekt gemeinsam mit Artur Schönemann am Fraunhofer LBF betreut.

Wesentlich für die Gesamteffizienz schwerer Straßenfahrzeuge ist die möglichst vollständige Integration der generatorisch erzeugten Bremsenergie. »Das wird in unserem Konzept durch besonders leistungsfähige und alterungsbeständige Zellen gewährleistet, die den Aufbau eines verhältnismäßig kleinen und kompakten Speichers ermöglichen. Dies ist eine der besonderen Kompetenzen des Fraunhofer LBF«, so Artur Schönemann.

Der generator-elektrische Antrieb

Fahrzeuge mit generatorelektrischem Antrieb fahren immer elektrisch. Dabei ist der Elektromotor in Drehmoment und Leistung bedarfsgerecht und optimal abgestimmt. Typische Kurzstrecken können ausnahmslos mit der Batterie bewältigt werden.

Das Besondere am generator-elektrischen Powerpack ist die große Reichweite. Für lange Strecken wird das Batteriesystem ständig im Fahren geladen. Dazu dient ein monovalenter Gasmotor, der über einen elektrischen Generator Strom erzeugt, den die Batterie fortlaufend zwischenspeichert. Der Motor läuft mit konstanter Drehzahl und immer in seinem Wirkungsgrad-Optimum. Da die Klopffestigkeit von Methangas zudem höher ist als die der normalen Ottokraftstoffe, verdichtet der Motor stärker. Damit ist die Energieeffizienz des Gasmotors gegenüber Benzinmotoren deutlich besser.

Im Gegensatz zu reinen Elektrofahrzeugen besitzen generator-elektrische Fahrzeuge eine Wärmequelle, die im Winter den Fahrgastraum wärmt und im Sommer die Klimaanlage mit Energie versorgt. Die Geräuschentwicklung ist dezent, da der Motor mit konstanter Drehzahl läuft. Generatorelektrische Antriebe vereinen so die Reichweiten- und Infrastrukturvorteile von Verbrennungsmotoren mit den Effizienzvorteilen von Elektroantrieben. Sie sind für Pkw, Lkw und Nutzfahrzeuge geeignet. Dieser Video erklärt das Prinzip.