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SI/502351
Mega Charger - Megawatt-Batterie-Ladesystem für schwere Nutzfahrzeuge
Résumé
Der öffentliche Personen- und globale Güterverkehr steht vor einem tiefgreifenden Wandel. Die Bedeutung konventioneller Verbrennungsmotoren wird abnehmen. Denn die zukünftigen CO2-Ziele können nur eingehalten werden, wenn der Anteil emissionsarmer bzw. emissionsfreier Transportmittelweiter zunimmt. Für den Wandel benötigt es jedoch eine bedarfsgerechte Ladeinfrastruktur, die sich von der PKW-Ladeinfrastruktur stark unterscheidet. Aktuell sind im Bereich des Langstreckenschwerverkehrs schweizweit keine batterieelektrischen Transportfahrzeuge im Einsatz. Auch für Nutzfahrzeuge im Dauer- resp. Schichtbetrieb ist die Elektrifizierung bisher unattraktiv. Der Grund dafür liegt in der begrenzten Batteriekapazität sowie beschränkter Ladeleistung. Mit einem Ladesystem im Megawattbereich können die Ladezeiten signifikant verkürzt werden. Somit wäre es für batteriebetriebene Nutzfahrzeuge in praktisch allen Bereichen möglich mit Diesel-Nutzfahrzeugen auch in wirtschaftlicher Sicht mitzuhalten.
Textes supplémentaires
Publikationen / Ergebnisse
Elektrisch angetriebene Lastwagen brauchen leistungsfähige Ladestationen, zumal wenn sie in kurzer Zeit geladen werden sollen. Ein Forschungskonsortium aus der Entwicklungsfirma Designwerk und zwei Fachhochschulen hat eine mobil einsetzbare Ladestation im Megawatt-Bereich entwickelt und im Feld getestet. Eine grosse Pufferbatterie ermöglicht dank der hohen Lade- und Entladeströme Funktionen und Anwendungen, die über eine klassische Ladestation hinausreichen.
Schlussbericht
Der Bericht behandelt Entwicklung, Aufbau und Felderprobung eines mobilen Megawatt-Batterie-Ladesystems („Mega Charger“) für schwere Nutzfahrzeuge in der Schweiz. Ausgangspunkt ist die Notwendigkeit, batterieelektrischen Schwerverkehr auch bei Tagesreichweiten bis rund 1’000 km konkurrenzfähig zum Diesel zu machen. Der konventionelle Ansatz, mehr Reichweite durch grössere Fahrzeugbatterien zu erzielen, wird verglichen mit dem Ansatz weniger Batteriekapazität bei gleichzeitig häufigerem und schnelleren Laden zu kombinieren. Das Projekt untersucht deshalb, ob ein MCS (Megawatt Charging System)-basiertes Ladesystem mit integriertem Batteriespeicher hohe Ladeleistungen, netzverträglichen Betrieb und wirtschaftliche Vorteile gegenüber grossen Fahrzeugbatterien verbinden kann. Der Mega Charger ist als containerbasiertes, verlegbares Ladesystem ausgeführt. Zwei Ladepunkte bieten manuelle MCS-Schnittstellen (500–865 V, bis 1500 A, 1’275 MW) sowie CCS HPC (High Power Charging bis 600 kW). Die Netzanbindung erfolgt typischerweise mit 400 kW (2x200 kVA, 3×400 V); ein DC-Zwischenkreis wird über aktives Frontend und Trenntransformator gespeist. Bis zu 2x900 kWh Pufferbatteriekapazität (acht HVB-220-400-F-Module, First- oder Second-Life) sind über bidirektionale DC/DC-Wandler angebunden, sodass Module last- und zustandsabhängig bewirtschaftet werden können. Die Anlage ist modular erweiterbar und für unterschiedliche Anschlussleistungen (ca. 88-400 kW) ausgelegt. Die Praxiserprobung erfolgte an zwei Standorten: Bei der Galliker Transport AG in Altishofen wurde der Prototyp MC001 während rund neun Monaten im Depotbetrieb eingesetzt, mit bis zu zehn Ladevorgängen pro Werktag. In Oberbüren (GEVI) diente eine zweite Anlage MC002 der Erprobung von Megawatt-Ladungen und Netzrückwirkungen im Dauereinsatz für einen elektrischen Schneepflug. Ergänzend wurden Messungen zur Netzqualität (Spannung, Power Factor, Total Harmonic Distortion, Flicker) durchgeführt, Labor-Degradationsversuche an Zellen (BFH – Berner Fachhochschule) und – auf Basis von Feld- und Simulationsdaten – eine total cost of ownership-Analyse und Ökobilanz des Gesamtsystems (OST – Ostschweizer Fachhochschule) erstellt. Im Megawatt-Ladetest wurde ein Prototypfahrzeug mit 1'000 kWh Batterie von 10 % auf 90 % SoC (state of charge) in 52 Minuten geladen; der Ladestrom erreichte 1’500 A bei einer Ladeleistung von über einem Megawatt über zehn Minuten. Die Netzrückwirkungsmessungen in dieser Zeit zeigen, dass Spannungsabfall, Leistungsfaktor und Oberschwingungsströme am Netzanschlusspunkt innerhalb der Grenzwerte des Netzbetreibers bleiben; der Puffer reduziert Lastspitzen deutlich (Peak-Shaving) und ermöglicht die zeitliche Entkopplung von Netzbezug und fahrzeugseitiger Ladeleistung. Die total cost of ownership, TCO-Bewertung vergleicht zwei Strategien bei gleicher Tagesreichweite: einen eLkw mit grossem Fahrzeugakku und konventioneller Schnellladung ohne Puffer sowie einen eLkw mit kleinerem Akku, MCS-Schnellladung und Mega Charger. Unter Annahme von 120 kWh/100km, 80'000 km/Jahr über zehn Jahre, einem Standardstrompreis von 30 Rp/kWh und einer günstigen Bezugsquelle von 5 Rp/kWh (z. B. PV-Strom, Differenz 25 Rp/kWh) zeigt das Szenario „kleinerer Fahrzeugakku + MCS“ strukturelle Kostenvorteile: geringere fahrzeugseitige Investitionen, potenzielle Nutzlast- und Verbrauchsgewinne, verkürzte Standzeiten sowie niedrigere Energie- und Netzkosten durch Lastverschiebung und Eigenverbrauchsoptimierung. Die Vorteilhaftigkeit bleibt sensibel gegenüber Energiepreisen, Degradation und Auslastung. Die Ökobilanz des Mega Chargers wurde gemäss ISO 14040/44 durchgeführt und umfasst die Herstellungs-, Betriebs- und End-of-Life-Phasen des Systems, einschliesslich der eingesetzten Second-Life-Pufferbatterie. Die Modellierung der Second-Life-Batterie ist ein wesentlicher Einflussfaktor auf die Ergebnisse der LCA. Nach einem Vergleich verschiedener Allokationsansätze wurde in Übereinstimmung mit den Empfehlungen des EU Battery Pass der Cut-off-Ansatz gewählt, wobei die herstellungsbedingten Umweltwirkungen der Batterie vollständig der Erstnutzung (First-Life) zugeordnet werden. In der Basiskonfiguration mit Schweizer Strommix, einem Systemwirkungsgrad von 86 % mit einer Fahrzeugbatteriekapazität von 435 kWh und einer Nutzlast von 23 t im Mega-Charger-Szenario (gegenüber 870 kWh und 20 t Nutzlast im Referenzszenario mit einem konventionellem (langsameren) Ladesystem) ergeben sich Emissionen von 39 g CO2-eq pro kWh gelieferte Ladeenergie für den Mega Charger und 32 g CO2-eq pro kWh im Referenz-Szenario. Rund 90 % (Mega Charger) bis knapp 98 % (Referenz) stammen aus dem Netzstrombezug (Schweizer-Strommix). Entsprechend sind die CO2-Intensität des bezogenen Stroms sowie der Systemwirkungsgrad die grössten Einflussfaktoren auf die Treibhausgasemissionen. Bezogen auf den Transportnutzen (Emissionen pro Kilometer) liegen die CO2-Emissionen bei beiden Systemen bei rund 45–50 g CO2-eq pro gefahrene Fahrzeugkilometer. Unter Berücksichtigung der transportierten Masse ergeben sich CO2-Emissionen von etwa 2 g CO2-eq pro Tonnenkilometer (unter Annahme idealer Auslastung ohne Leerfahrten), wobei dann der Mega Charger aufgrund der höheren Nutzlast einen leichten Vorteil aufweist. Die Umweltwirkungen hängen daher weniger von der Ladeinfrastruktur allein ab, sondern insbesondere von der Kombination aus Nutzungskonzept, Stromversorgung und Systemeffizienz. In der Gesamtschau ist das Projekt: MCS-Ladung mit batteriegepuffertem Megawatt-Ladesystem technisch beherrschbar, im Realbetrieb praktikabel und netzverträglich und kann bei geeigneter Auslegung wirtschaftliche Vorteile gegenüber grossen Fahrzeugbatterien erschliessen. Sinnvoll ist der Einsatz insbesondere an Logistik- und ÖV-Standorten mit planbaren Ladefenstern, moderater bis guter Netzanschlussleistung und der Möglichkeit, günstige oder erneuerbare Energie zu nutzen. Limitationen bestehen in sehr schwachen Netzen, bei geringer Auslastung oder fossillastigem Strommix; hier sind angepasste Filter- und Lastmanagementkonzepte, höhere Systemwirkungsgrade sowie Material- und Second-Life-Optimierungen notwendig. Aus LCA-Sicht ist der Mega Charger zwar auf kWh-Basis leicht schlechter, kann dies aber durch höhere Nutzlast und anwendungsbezogene Betrachtung weitgehend kompensieren; die Bewertung ist insgesamt parameter- und szenarioabhängig und sollte entsprechend eingeordnet werden. Unter diesen Bedingungen bietet der Mega Charger einen skalierbaren Baustein für die Dekarbonisierung des Schwerlastverkehrs.
Détails du projet
- Office de recherche
- BFE
- Statut du projet
- Abgeschlossen
- Type de projet
- Forschungsprojekt
- Date de début
- 2021-11-30
- Date de fin
- 2025-01-30
- Coûts totaux approuvés
- CHF 961312.00
- Section
- Elektrizitätstechnologien
- Domaine politique NABS
- Erzeugung, Verteilung und rationelle Nutzung der Energie