Nachhaltiger Energie-Einsatz

So lassen sich die Emissionen im Transportwesen reduzieren

19. November 2021, 12:00 Uhr | Autor: Martin Schulz, Redaktion: Irina Hübner
Die Emissionen im Transportsektor sind aktuell zu hoch.
© Littelfuse

Schwere Nutzfahrzeuge wie Lkw, Busse und Baufahrzeuge tragen schätzungsweise 25 Prozent zu den Emissionen im Verkehr und etwa 5 Prozent zu den gesamten europäischen Treibhausgasen bei. Das Erreichen der Klimaziele hängt damit auch maßgeblich von den Entwicklungen im Transportsektor ab.

Die Elektrifizierung des Transportwesens ist eine besondere Herausforderung für Leistungshalbleiter. Im Vergleich zu einem typischen Pkw, der für ca. 8000 Betriebsstunden ausgelegt ist, wird ein Lkw oder Bus für eine wesentlich längere Einsatzdauer konzipiert. Das gilt sowohl in Bezug auf die Lebensdauer als auch auf die Betriebszeit. Die übliche Anforderung sind acht bis zehn Betriebsstunden an 360 Tagen im Jahr.

Bei einer prognostizierten Fahrleistung von 400 km pro Tag summiert sich dies zu über 2 Millionen Kilometer in einem 15-jährigen Betrieb auf. Busse im Stadtverkehr sind nicht weniger herausfordernd, da sie an einem einzigen Tag ebenfalls 200 bis 300 km zurücklegen müssen. Der permanente Start-Stopp-Betrieb bringt weitere Herausforderungen mit sich.

Bild 1. Komponenten von elektrischen Nutzfahrzeugen.
Bild 1. Komponenten von elektrischen Nutzfahrzeugen.
© Littelfuse

Komponenten für elektrische Nutzfahrzeuge

Ein vollelektrisches Schwerlastfahrzeug enthält eine Vielzahl von Subsystemen, die zuverlässige Lösungen erfordern. Welche leistungselektronischen Komponenten benötigt werden, zeigt Bild 1.

Die Verbesserungen, die Batterien in den letzten zehn Jahren erfahren haben, machen sie heute auch für Schwerlastfahrzeuge zu einer praktikablen Lösung. Dies bringt aber die Herausforderung mit sich, die Fahrzeuge in einer angemessenen Zeit aufzuladen. Bei Bussen, die auf regelmäßigen Routen unterwegs sind, bietet sich das Aufladen in einem Depot, in einer Pause zwischen den Schichten oder über Nacht an. Das reduziert den Strombedarf und schafft weitere Optionen im Energiemanagement. Kommen zusätzlich stationäre Batterien zum Einsatz, lassen sich die Ladezeiten von Phasen des Energieüberschusses entkoppeln.

Bild 2. Modernes Bus-Depot mit Ladeinfrastruktur
Bild 2. Modernes Bus-Depot mit Ladeinfrastruktur
© EBUSCO

Anforderungen an die Ladeinfrastruktur

Das Laden im Depot ist die bevorzugte Variante für den lokalen Flottenbetrieb. Um eine nahtlose Integration von Elektro-Lkw in den Mobilitätssektor zu ermöglichen, muss das Laden mit hoher Leistung aber Teil der Infrastruktur werden. Die 350-kW-Technologie, die sich derzeit für Pkw in Europa im Aufbau befindet, bringt immer noch eine zweistündige Pause für das Aufladen eines Batteriesatzes mit bis zu 600 kWh eines größeren Lkw mit sich.

Ladeleistungen bis zu 800 kW sind bereits angekündigt, zudem hat die CharIN-Organisation, die sich mit der Definition von Ladestandards beschäftigt, den Standard für High Power Charging for Commercial Vehicles (HPCCV) eingeführt. Mit einer DC-Spannung von bis zu 1500 V und einem maximalen Ladestrom von bis zu 3000 A lassen sich Ladeleistungen von über 2 MW erreichen. Bild 3 zeigt einen Vergleich zwischen dem Laden von Nutzfahrzeugen und dem von Personenkraftwagen, um die Größenordnung zu veranschaulichen.

Eine 2-MW-Ladung liefert 500 kWh für weitere 300 km in etwa 15 Minuten. Da der Fahrer ohnehin gesetzlich zu einer Pause verpflichtet ist, lässt sich die Pausenzeit dafür nutzen.

Bild 3. Vergleich des Betriebsbereichs von Ladesationen für Hochleistungs-Pkw und Nutzfahrzeuge.
Bild 3. Vergleich des Betriebsbereichs von Ladesationen für Hochleistungs-Pkw und Nutzfahrzeuge.
© Littelfuse

Wasserstoff als Energiespeicher

Parallel zu dieser Entwicklung kommt auch Wasserstoff als Energiespeicher in Betracht, um großvolumige Elektrofahrzeuge anzutreiben. Hinsichtlich des elektrischen Antriebs bleiben die Fahrzeuge identisch, aber als Energiequelle wird eine Brennstoffzelle eingesetzt, die Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser, Wärme und Strom umwandelt. Batterien sind weiterhin notwendig, um die Spitzenleistung beim Beschleunigen bereitzustellen und die Energie während der Rückgewinnung zu speichern.

Darüber hinaus kommen weitere leistungselektronische Komponenten in einem DC/DC-Wandler zum Einsatz, der die Schnittstelle zwischen Brennstoffzelle und Batterie bildet.

Damit brennstoffzellenbasierte Fahrzeuge wirklich als grüne Technologien gelten können, ist es unumgänglich, den Wasserstoff aus erneuerbaren Energien zu gewinnen. Die Gewinnung aus Erdöl oder Erdgas über Dampfreformation ist derzeit Stand der Technik, doch dieser als schwarzer Wasserstoff bezeichnete Energieträger führt dazu, dass große Mengen an Kohlendioxid als Nebenprodukt entstehen.

Derzeit ist eine Kombination in Diskussion: Strom aus erneuerbaren Quellen wie Wind- und Sonnenenergie mit Elektrolyse, die Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet. Insbesondere wenn es darum geht, überschüssigen Strom zu nutzen, unterstützt dieser Weg die Netzstabilität und erzeugt Wasserstoff als Nebenprodukt. Verschiedene Länder weltweit haben Programme ausgearbeitet, um Wasserstoff als einen Eckpfeiler zu nutzen, wenn es um die Reduzierung der Treibhausgasemissionen geht.

Anforderungen an Lösungen im Transportsektor

Von der Stromerzeugung in erneuerbaren Energiesystemen bis hin zu Elektrolyse, Antriebssträngen, Ladegeräten und kleineren On-Board-Anwendungen: Entlang der gesamten Wertschöpfungskette im Transportwesen finden sich Designs im Leistungsbereich von wenigen Watt bis zu einigen Megawatt. Sie alle haben einen Bedarf an hocheffizienten, zuverlässigen elektronischen Subsystemen.

Die Zuverlässigkeit beschränkt sich dabei nicht nur auf die üblichen industriellen Anforderungen bezüglich der zyklischen thermischen Effekte wie Power- und Thermal-Cycling. Nutzfahrzeuge fahren nicht nur auf Autobahnen und intakter Infrastruktur. Trucks im Tagebau und Baustellenbetrieb bewegen sich auf unebenen Untergründen. Dies und die stoßartige Beladung durch Radlader führen zu hohen Ansprüchen an Schock- und Vibrationsbelastungen.

Mit Schadgasen belastete Umgebungsluft und hohe Luftfeuchtigkeit, gepaart zum Beispiel mit salzhaltiger Atmosphäre in Seenähe bedeuten ebenfalls höhere Anforderungen an die Widerstandsfähigkeit der Halbleitertechnik.
Innerhalb dieser anspruchsvollen Umgebung sind Steuer-, Schutz-, und Leistungselektronik sowie präzise Sensorik die allgegenwärtigen Komponenten, um die Energieübertragung sicher und effizient zu gestalten.

 

 

Der Autor
Martin Schulz ist Global Principal, Application Engineering bei Littelfuse.


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