Über die Chancen von Oberleitungs-Lkw bei CO2-Ersparnis und Kosten

25. Mai 2020 — Lesedauer 8 min

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25. Mai 2020 — Lesedauer 8 min

Bis zum Jahr 2030 soll rund ein Drittel des Güterverkehrs elektrisch oder auf Basis von strombasierten Kraftstoffen unterwegs sein, so lautet die Zielsetzung der Bundesregierung im Klimapaket. Auf stark befahrenen Autobahnabschnitten in Deutschland könnten Oberleitungs-Lkw schon 2030 wirtschaftlich attraktiv sein – vorausgesetzt, der Staat baut eine entsprechende Infrastruktur auf. Dadurch würde auch die CO2-Vermeidung für Speditionen deutlich günstiger als der Umstieg auf synthetische Kraftstoffe.

Ein Oberleitungs-Lkw (O-Lkw) kann im Jahr 2030 die CO2-Emissionen gegenüber einem Diesel-Lkw fast halbieren, Fahrzeug- und Infrastrukturherstellung und Stromerzeugung mit eingerechnet. Gelingt es, bis 2030 ein Oberleitungs-Basisnetz von 3200 Kilometern Länge auf besonders intensiv befahrenen deutschen Autobahnabschnitten zu errichten, so könnten jährlich bis zu 9,2 Millionen Tonnen CO2 eingespart werden. Das entspricht knapp 20 Prozent der der Gesamtemissionen des deutschen Straßengüterverkehrs. Wird diese Infrastruktur zukünftig auch durch internationale Lkw-Verkehre genutzt, sinken die CO2-Emissionen weiter.

Das sind zentrale Ergebnisse der vom ifeu vorgestellten Studie (hier vollständig als PDF) zum künftigen Bau von elektrischen Oberleitungen für Lkw auf Teilen des deutschen Autobahnnetzes. An dem Verbundvorhaben wirkten neben dem ifeu die PTV Transport Consult, das Fraunhofer IEE sowie das Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität mit.

Gestaltung der Einführungsphase ist zentral

Eine Kernfrage des Vorhabens war, ob sich ein O-Lkw-System mittelfristig wirtschaftlich tragen kann. Um dies konservativ abzuschätzen, wurden für die Berechnung möglicher Markthochläufe von O-Lkw nur diejenigen Transporte betrachtet, die als Pendelverkehre organisiert werden können und daher besonders geeignet sind. Die notwendigen Mittel für ein Oberleitungs-Basisnetz von 3200 Kilometern schätzen die Autorinnen und Autoren auf insgesamt etwa 7 Milliarden Euro, die über etwa 10 Jahre investiert werden müssten. Dieser Gesamtbetrag entspricht in etwa den jährlichen Einnahmen aus der Lkw-Maut.

„Unsere Rechnungen zeigen, dass nach etwa 10 bis 15 Jahren eine Gegenfinanzierung des Systems durch die eingesparten Betriebskosten der Nutzer möglich ist. Das System kann sich dann finanziell selbst tragen.“ — Julius Jöhrens, Studienleiter am ifeu – Institut für Energie- und Umweltforschung in Heidelberg

Bei den Berechnungen haben die Expertinnen und Experten des ifeu unterstellt, dass die Lkw-Betreiber wirtschaftlich rational handeln und entsprechende O-Lkw am Markt sind. „Dafür müssen die Flottenbetreiber und die Hersteller sich auf langfristige Vorgaben der Politik verlassen können“, hebt Julius Jöhrens hervor. Zentral sei dabei ein verlässlicher Aufbau der Infrastruktur sowie gezielte finanzielle Anreize in der Startphase. Das ifeu hat die Auswirkungen verschiedener Förderinstrumente untersucht. Jöhrens: „Finanzielle Entlastungen wie eine Kaufprämie oder eine Befreiung von der Lkw-Maut helfen zum Start, werden aber mit einer steigenden Anzahl von Fahrzeugen sehr teuer und sollten daher nur befristet eingesetzt werden. Eine ambitionierte CO2-Bepreisung ist das sinnvollste Instrument für eine nachhaltige und für den Staat kostenneutrale Antriebswende.“

Oberleitungs-Lkw mit Kostenvorteilen gegenüber synthetischen Kraftstoffen

O-Lkw können die hohe Energieeffizienz von Elektrofahrzeugen erreichen, ohne deren typischen Nachteil einer batteriebedingt CO2-intensiven Fahrzeugherstellung in Kauf nehmen müssen. Der vergleichsweise geringe Materialaufwand wirkt sich auch auf die Kostenbilanz aus – ein Hybrid-Lkw mit Stromabnehmer rechnet sich im Jahr 2030 bereits dann, wenn lediglich ein Drittel der jeweiligen Strecke unter Oberleitung zurückgelegt wird. Das macht ihn auch gegenüber anderen CO2-Minderungsoptionen attraktiv. „Gegenüber dem Einsatz von synthetischen Kraftstoffen (Power-to-liquids) kann ein O-Lkw-System bereits dann etwa 10 Prozent Systemkosten einsparen, wenn die Oberleitungen allein durch besonders geeignete inländische Verkehre genutzt werden. Das hat uns selbst überrascht“, berichtet Jöhrens weiter. Der Aufbau eines Oberleitungsnetzes auf den deutschen Hauptstrecken könne damit unabhängig von einem möglichen späteren internationalen Systemausbau sinnvoll sein.

„Ein O-Lkw-System spielt seine Kostenvorteile am schnellsten bei einer guten Auslastung aus. Darum sind die hoch frequentierten Strecken zwischen den Ballungszentren wie Hamburg, Berlin, Rhein-Main-Gebiet und Ruhrgebiet der beste Ausgangspunkt“, sagt Jöhrens. Für wenig frequentierte Strecken seien voraussichtlich Antriebe günstiger, die nicht auf eine so genannte streckengebundene Energieinfrastruktur angewiesen seien. Hier könnten dann beispielsweise Brennstoffzellenantriebe zum Einsatz kommen. Langfristig erwarten die Experten daher einen Technologiemix im europäischen Güter-Fernverkehr. „Wir müssen von der Vorstellung wegkommen, dass es bei zukünftigen Lkw nur noch ein Antriebssystem geben wird. Sicher ist: Der O-Lkw stellt für einen bedeutenden Teil des schweren Straßengüterverkehrs eine ökonomisch wie ökologisch effiziente Lösung dar. Dieses Potential sollte man nutzen.“

Das ifeu hat unter anderem zusammen mit Logistik-Experten untersucht, wie der Ausbau von Oberleitungen an den hiesigen Autobahnen am besten erfolgen kann und wie die Transport-Unternehmen darauf reagieren. Betrachtet wurde der Zeitraum von zehn Jahren nach einer (hypothetischen) politischen Entscheidung für die neue Technik im Jahr 2020. Das Vorhaben wurde im Rahmen des Programms „erneuerbar mobil“ vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMU) gefördert.

Analyse von Langstrecken-Lastkraftwagen für das Jahr 2050

Auch die Universität Stuttgart und die Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr (IAV) haben in einem Forschungsprojekt der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen die Antriebsstränge zukünftiger Schwerlast-Lastkraftwagen für den Fernverkehr unter CO2-Gesichtspunkten untersucht. Um aus einer Vielzahl möglicher Antriebe für Lkw im Fernverkehr im Jahr 2050 eine geeignete Auswahl treffen zu können, wurden fünf Antriebsstränge für eine detaillierte Untersuchung ausgewählt. Zwei davon sind Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEV) mit für synthetisch hergestellte Kraftstoffe (Fischer- Tropsch Diesel (FTD)) und synthetisches Erdgas (SNG)) optimierten Verbrennungsmotoren. Die drei anderen Fahrzeuge haben alle einen elektrischen Antriebsstrang, allerdings mit unterschiedlicher Energieversorgung. Das batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) bezieht den Strom aus der Batterie, während der Oberleitungs-Lkw (Catenary Electric Vehicle, CEV) auf der Autobahn über eine Oberleitung mit elektrischer Energie versorgt wird. Im Gegensatz dazu wandelt das Brenstoffzellenfahrzeug (Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) chemische Energie (Wasserstoff, H2) in einer Brennstoffzelle während der Fahrt in elektrische Energie um.

Bei ihren Berechnungen berücksichtigten die Forscher die gesamten Produktions- und Lieferketten von Fahrzeugen sowie der Energieträger über den kompletten Lebenszyklus eines Fahrzeugs hinweg. Die fünf Antriebskonzepte wurden für 2050 unter Berücksichtigung von potenziellen Weiterentwicklungen innerhalb der nächste Jahrzehnte bewertet. Basierend auf der Annahme, dass es 2050 100 Prozent erneuerbare Energie geben wird, welche durch heutige Anlagen erzeugt werden, hat das der Oberleitungs-Lkw die geringsten Treibhausgasemissionen, gefolgt von seinem rein elektrischen Pendant. Der Brennstoffzellen-Lkw liegt im mittleren Bereich und die Verbrenner haben die höchsten Treibhausgas-Werte. Diese Reihenfolge bleibt auch bei der Strombereitstellung mit höheren CO2-Emissionen bestehen. Ab einem bestimmten, sehr niedrigen Schwellwert liegen die CO2-Emissionen der Fahrzeuge mit E-Fuels gleichauf mit denen eines Elektro-Lkw. Insgesamt zeigt sich, dass die Bereitstellung von Strom mit sehr niedrigem Treibhausgaspotenzial von zentraler Bedeutung ist.

Für eine abschließende Bewertung der Konzepte wäre es notwendig, neben den Kosten für Fahrzeugherstellung und Energieverbrauch auch die Treibhausgas-Bilanz zukünftiger Anlagen zur Stromerzeugung und die Infrastruktur für ein Oberleitungsnetz sowie Ladepunkte und Second-Life-Konzepte von Batterien mit zu betrachten. Das soll in einem Folgeprojekt der Universität Stuttgart und dee IAV geschehen.

StratON – Bewertung und Einführungsstrategien für oberleitungsgebundene schwere Nutzfahrzeuge

Mit der Studie „StratON“ veröffentlichte auch das Fraunhofer IAO gemeinsam mit dem Öko-Institut und weiteren Partnern zum Projektabschluss Bewertungen und Einführungsstrategien für den Oberleitungsgüterverkehr. Unter der Koordination des Instituts für angewandte Ökologie hat das Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO in Zusammenarbeit mit der Hochschule Heilbronn und der Intraplan Consult GmbH die Studie „StratON – Bewertung und Einführungsstrategien für oberleitungsgebundene schwere Nutzfahrzeuge“ veröffentlicht.

Auch hier zeigen die Ergebnisse, dass Oberleitungs-Lkw eine effiziente Möglichkeit der Stromnutzung im Güterfernverkehr darstellen. Auf einem Streckennetz von rund 4000 Kilometern könnte in den kommenden 15 Jahren ein leistungsfähiges Oberleitungssystem für Lkw aufgebaut werden, sodass bis in zwanzig Jahren allein ein Drittel des Lkw-Fernverkehrs elektrisch erfolgen würde. „Bauen wir ein solches Oberleitungsnetz für Lkw auf, können die direkten Treibhausgasemissionen allein des Straßengüterfernverkehrs pro Jahr um bis zu 12 Millionen Tonnen CO2 sinken“, fasst Florian Hacker, Leiter des Projekts zu Potenzialen des Oberleitungsgüterverkehrs, zusammen. „Das entspricht mehr als einem Drittel der Emissionen des schweren Straßengüterverkehrs.“ Zum Abschluss des gleichnamigen Projekts „StratON“ hat das Öko-Institut gemeinsam mit Projektpartnern, der Hochschule Heilbronn und dem Fraunhofer IAO sowie in Zusammenarbeit mit der Intraplan Consult GmbH die Potenziale des Oberleitungs-Lkw-Systems vertieft analysiert. Ein Beirat aus Vertretern aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik hat das Projekt begleitet.

Klimavorteil von Oberleitungs-Lkw

Der Straßengüterverkehr hat in Deutschland einen Anteil von etwa einem Drittel an den Treibhausgasemissionen des Verkehrs. Diesen künftig CO2-frei zu gestalten ist daher entscheidend, um die Klimaschutzziele im Verkehrssektor zu erreichen. Heute entfallen circa 19 Prozent des Gütertransports auf die Bahn und 75 Prozent auf die Straße. Selbst bei einer ambitionierten Verlagerung des Straßenverkehrs auf die Schiene wird künftig immer noch mehr als die Hälfte des Gütertransports von Lkw geleistet. Daher sind Alternativen zu treibhausgasintensiven Diesel-Lkw dringend nötig. Auch wenn man die Treibhausgasemissionen bei der Stromerzeugung berücksichtigt, kann ein Oberleitungs-Lkw im Jahr 2025 die Treibhausgasemissionen im Vergleich zu einem heutigen Diesel-Lkw nahezu halbieren. Bis zum Jahr 2030 steigt der Vorteil unter den Vorgaben des Kohleausstiegs sogar auf 60 Prozent an. Im Vergleich der Antriebstechnologien weisen Oberleitungs-Lkw neben batterieelektrischen Lkw damit das höchste Potenzial zur Treibhausgasminderung im Güterverkehr auf.

Fast zwei Drittel des Lkw-Fernverkehrs findet auf rund einem Drittel des deutschen Autobahnnetzes statt. Auf diesem etwa 4000 km langen Kernnetz wurden im Projekt 17 Strecken identifiziert, die sich für den Oberleitungsaufbau besonders anbieten. Dabei versprechen beispielsweise Zubringer zum Hamburger Hafen oder Verbindungen zwischen Ballungsräumen, besonders große Potenziale für den frühzeitigen Einsatz von Oberleitungs-Lkw. Diese könnten zuerst gebaut werden und über die Zeit zu einem Gesamtnetz zusammenwachsen. „Die Politik muss den Rahmen für den Aufbau der Oberleitungsinfrastruktur schaffen und damit Planungssicherheit für die Marktakteure geben“, fordert Hacker. „Unsere Analysen identifizieren die Einführung einer CO2-basierten Marktkomponente als wirksamstes Instrument, um eine hohe elektrische Fahrleistung im Straßengüterverkehr zu erreichen. Nur wenn die Rahmenbedingungen für langfristige Investitionen klar sind, kann ein Umstieg auf klimaschonende Technologien im Güterverkehr gelingen.“

Die Kosten für den Netzaufbau seien mit rund 12 Milliarden Euro als moderat zu bewerten, gerade auch im Vergleich zu anderen Dekarbonisierungsoptionen des Straßengüterverkehrs wie strombasierten Kraftstoffen.

Quelle: ifeu Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH — Pressemitteilung vom 19.03.2020 // Universität Stuttgart und IAV — Technische und ökobilanzielle Analyse von Langstrecken-Lastkraftwagen für das Jahr 2050 (PDF) // StratON — Bewertung und Einführungsstrategien für oberleitungsgebundene schwere Nutzfahrzeuge (PDF)

Michael Neißendorfer

Michael Neißendorfer ist E-Mobility-Journalist und hat stets das große Ganze im Blick: Darum schreibt er nicht nur über E-Autos, sondern auch andere Arten fossilfreier Mobilität sowie über Stromnetze, erneuerbare Energien und Nachhaltigkeit im Allgemeinen.

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Heinz Scherer:

Nein. So funktioniert das eben nicht. Die haben nur eine extrem kleine Akku für Rekuperation u.a. und die Leistung der FC ist sehr hoch ausgelegt, da die direkt den E-Motor mit Strom versorgt. Sie kennen doch meinen Kommentar zur Auslegung eines BEV mit FC-REX.
So langsam glaube ich Sie wollen nur gegen mich schießen, statt eine sinnvolle Fachdiskussion zu führen. Beim letzten H2-Thread haben Sie alles in Frage gestellt, bekamen aber immer gute Antworten von mir. Hat Ihnen das nicht gefallen?

Silverbeard:

Der Witz mit Nikola ist allerdings folgender. Obwohl die Nikola LKWs eine alternative Technologie zum Tesla Semi werden sollten, kommen die ersten doch als reines Batteriefahrzeug zum Kunden.

Silverbeard:

So funktioniert das Prinzip bei jeden Fahrzeug mit Brennstoffzelle. Die haben alle kleine Batterien die häufig be- und entladen werden.

Rabo:

Autobahnen mit O-Leitung? Eine totale Verschandelung der sonst immerhin noch schönen Natur – wie z.B. auf der A1-Probestrecke vor Lübeck! Der Nutzen und die Ökonomie erscheinen ausserdem zweifelhaft.
Ja, LKWs müssen elektrifiziert werden, aber da wären (sind!) FCEV trucks wesentlich unkomplizierter und besser! Nikola Motors trucks beispielsweise (sie sollen u.a. künftig sogar in Ulm hergestellt werden) bieten Reichweiten von bis zu 2000 km und Nachtankzeiten von wenigen Minuten an. Da reicht unsere derzeit noch recht dünne H2-Tankstellen Infrastruktur schon heute aus.

Manfred M:

Wie gut, dass bisher keiner auf den Gedanken gekommen ist, eine Strassenbahn von Berlin in’s Ruhrgebiet zu bauen: mit der Gleichspannung von 650 V kommt man nicht sehr weit.

Technisch betrachtet:

die Lastwagen sollen einen E-Motor mit 100 kW und einen Dieselmotor mit ungefähr 300 kW (400 PS) haben. Über die Kapazität der eingebauten Batterie gibt es unterschiedliche Aussagen, die elektrische Reichweite soll hier zwischen 20 und 70 Kilometer liegen. Bei einem Leitungsquerschnitt der Oberleitung von 120 mm² liegt der zulässige Strom bei ungefähr 1450 A, d.h. zwischen zwei Speisepunkten können höchstens 10 Lkw fahren. Der Kupferverbrauch verdoppelt sich übrigens gegenüber der Bahnoberleitung, weil ja auch noch eine Rückleitung benötigt wird.
Grob geschätzt hält eine Bahnoberleitung 30 Jahre (alle 15 Minuten ein Zug), während man beim O-Lkw (im Vollausbau) auf eine Taktzeit von 15 Sekunden hofft, was rechnerisch eine Lebensdauer von 6 Monaten (!) ergibt.
Übrigens gibt es in den Beneluxstaaten und in Frankreich noch Gleichspannungsnetze 1500/3000 kV mit Doppelfahrleitung ( ca. 250 mm²) wegen der großen Stromstärken und relativ kleinen Entfernungen. Die TGV-Strecken in Frankreich haben 25 kV Wechselspannung.

Nutzlastüberlegung:

eine aktuelle Zugmaschine hat eine Motorleistung von mehr als 400 PS bei einer Nutzlast des kompletten Lastzuges von 25 Tonnen (der E-Lastzug wegen der elektrischen Ausrüstung natürlich deutlich weniger !). Bei 10 Lastzügen sind das 4000 PS und 250 Tonnen Nutzlast. Mit 4000 PS setzt man aber auch einen 3000-Tonnen-Güterzug in Bewegung, der dann je nach Ladung 2200 Tonnen Nutzlast besitzt (geringerer Rollwiderstand) !

Persönliches Fazit:

Im Nahbereich bis 50 km sind Akku-Lkw für die Güterverteillogistik vielleicht eine Überlegung wert. Das Geld für die E-Lkw-Infrastrukur auf Autobahnen für größere Entfernungen wäre bei der Bahn sehr viel besser aufgehoben. Mir ist übrigens keine Strassenbahn mit mehr als 50 Entfernungskilometern bekannt; in Karlsruhe schalten die Strassenbahnen außerorts auf 15 kV Bahnspannung um.

Heinz Scherer:

Ich halte das Konzept auch für Unsinn. Damit will man nur Siemens schöne Aufträge zuschustern. Akkus und Brennstoffzellen sind die beiden Welttechnologien der Zukunft. Für die genannten Summen, kann man eine komplette Wasserstoffinfrastruktur für Mobilität/Logistik aufbauen und viele Hochleistungsladestellen installieren. Diese LKW´s sind Hybride oder benötigen trotzdem größere Akkus für die Reststrecken. Da wäre es besser E-LKW mit H2-REX zu bauen. Das Prinzip habe ich schon für PKW dargelegt und ist sicherlich erst recht bei LKW hochinteressant. H2-REX hat den Vorteil, dass die FC nur so groß ausgelegt werden muss, dass nur etwas mehr als die Dauerleistung für das Nachladen der relativ kleinen Akku gegeben sein muss. Es wird also kontinuierlich die Akku gespeist und die Brennstoffzelle arbeitet immer im Optimalzustand. Der/die leistungsstarke/n E-Motor/n werden wie beim BEV von der Akku versorgt. Die Rekuperation ist kräftig zu ermöglichen.

Silverbeard:

Das Traurige ist, dass erst mal viel Forschungsgeld zum Fenster rausgeworfen wird, um eine deutsche Insellösung populär zu machen. Wie soll das den deutschen weltweiten LKW Absatz fördern?

Rudolf Höhn:

Wird der Strom dazu mit Kohlekraftwerken
produziert macht das keinen Sinn.
Wir haben nur 3% Wasserkraft u. zu wenig
Pumpspeicherwerke. Nachts oder bei bedeckten Himmel wird kein Strom erzeugt u. der Wind weht auch nicht immer. In 2Jahren gibt es in Deutschland
auch kein Kernkraftwerk mehr.

bj:

Genau meine Meinung!
Langstrecke, egal ob Personen- oder Güterverkehr gehört auf die Schiene, wird mit Strom angetrieben und ist so meilenweit effizienter unterwegs als jedes Gummibereifte Strassenfahrzeug.

Peter W:

Der O-LKW ist eine Totgeburt. Es geht darum gar nicht um die Kosten, denn Geld wird bei uns ohnehin zum Fenster rausgeworfen. Es geht um die praktische Machbarkeit. Während die Bahn mit 20.000 Volt fährt, sind solche Spannungen über der Autobahn nicht möglich. Die Abstände zur Straße sind zu gering, die Unfallgefahr bei gestrandeten Fahrzeugen auf der Standspur zu hoch. Wer da aufs Wohnmobil klettert, wird das kaum überleben. Deshalb hat man bei den O-LKW nur maximal 1000 Volt zur Verfügung. Jeder, der die ohmschen Gesetze kennt, weiß, dass man mit tausend Volt keine LKW-Kolonne versorgen kann. Ein LKW braucht auf ebenert Strecke eine um 100 kW pendelnde Antriebsleistung und an Steigungen sind 500 kW sinnvoll (das leisten auch Dieselmotoren). Auf einem km Strecke fahren oft 10 LKW und mehr, so dass 1000 bis 5000 Ampere über die Leitung gehen (1000 Volt und 100 Ampere = 100 kW). Wieviel Trafostationen sollen da aufgestellt werden? Oder will man 5 cm dicke Oberleitungskabel verlegen?
Bis diese Oberleitungen fertig sind, wird es Akkus geben, die auch schwere LKW auf Langstrecken versorgen können. Fahrer müssen nach 4,5 Std 45 Min. Pause machen (Europaweit) und könnten so alle 400 km nachladen. Das Problem wird sich von alleine lösen! Dafür braucht man keine Politiker oder schön gerechnete Studien.