EMADI – Entwicklung eines wirtschaftlichen Mess- und Abrechnungsverfahrens für dynamische Induktivladesysteme
Das Projekt EMADI befasst sich mit dynamisch induktiven Ladesystemen (engl. Dynamic Wireless Power Transfer – DWPT) für die Elektromobilität. Im Moment wird die DWPT-Technologie in Deutschland im öffentlichen Verkehr nur in kleinen Maßstäben und in geschlossenen Systemen verwendet. Für eine breitflächige Nutzung fehlen noch wichtige Komponenten und Regularien.
EMADI leistet hierfür einen Beitrag, indem wichtige Grundlagen für einen öffentlichen Einsatz der DWPT-Technologie erarbeitet werden und die Auswirkungen des dynamisch induktiven Ladens auf Fahrzeugbatterien und die Umwelt analysiert werden.
Motivation und Zielsetzung
Das DWPT-System ermöglicht die drahtlose Versorgung von Elektrofahrzeugen mit elektrischer Energie während der Fahrt. Dieses sogenannte dynamische induktive Laden bietet das Potenzial, die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu erhöhen. Außerdem wird erwartet, dass mit dieser Ladetechnologie die Verwendung kleinerer Batterien und das verstärkte Laden von Strom aus erneuerbaren Energiequellen möglich wird. Besonders auf langen Strecken auf Autobahnen – insbesondere im Güterverkehr – könnte dies die Effizienz und Nachhaltigkeit erheblich verbessern.
Für eine öffentliche Verwendung, wie etwa auf der Autobahn, fehlt vor allem ein eichrechtskonformes Energiemess- und Abrechnungssystem. Während die Messung der gelieferten elektrischen Energie beim kabelgebundenen Laden im Stand etabliert ist, existieren solche Konzepte für DWPT-Systeme noch nicht. Das induktive Laden während der Fahrt stellt hier besondere Anforderungen an die Messung und das Informations- und Kommunikationssystem (IKT-System). Das Hauptziel von EMADI ist die Entwicklung und praktische Erprobung von IKT-Systemen zur Energiemessung, Kommunikation und Abrechnung (EKA) für öffentlich zugängliche DWPT-Systeme.
Zudem sind die oben beschriebenen Potenziale des DWPT-Einsatzes zur Verbesserung der Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit in der Elektromobilität noch nicht systematisch untersucht worden. Die Quantifizierung dieser Potenziale ist jedoch wichtig, um eine faktenbasierte Diskussion über den Einsatz von DWPT führen zu können. Im Projekt wird u. a. untersucht, welchen Einfluss das dynamische induktive Laden auf Traktionsbatterien und deren Lebensdauer im Lagstrecken-Güterverkehr auf Autobahnen hat. Anschließend folgt eine umfassende Analyse der Umweltauswirkungen der DWPT-Technologie über den gesamten Lebenszyklus.
Basierend auf diesen Ergebnissen werden Handlungsoptionen für eine nachhaltige Ladeinfrastruktur abgeleitet.
Projektstruktur
Die Konzeption, der Aufbau und der Test des EKA-Systems werden von den Projektpartnern Electreon Germany GmbH (Electreon), Institut für Automation und Kommunikation e.V. (ifak), Isabellenhütte Heusler GmbH & Co. KG (ISA) und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) durchgeführt. Zur Erprobung der entwickelten prototypischen EKA-Technologie errichten und betreiben EnBW und Electreon gemeinsam eine DWPT-Teststrecke in Karlsruhe. Hier können verschiedene Methoden zur Implementierung der EKA-Systeme im Realbetrieb getestet werden. Dies geschieht mittels eines Elektrobusses, der von EnBW bereitgestellt wird, sowie zusätzlich mit einem Elektroauto von Racing Europe (TGR-E), das im Projektverlauf jeweils mit der DWPT-Technologie von Electreon ausgestattet wird.
Parallel zur prototypischen Entwicklung eines EKA-Systems, führt die FfE in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik der Technischen Universität München (TUM) eine Untersuchung der Nachhaltigkeitsaspekte des DWPT-Einsatzes auf Autobahnen durch. Dafür generiert die FfE synthetische Lastgänge für das dynamische induktive Laden auf Autobahnen. Diese werden anschließend von den Partner der TUM verwendet, um passende Kapazitätsauslegungen und hochaufgelöste Belastungsprofile für Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln. Anhand dieser Lastgänge wird Lebensdauer der Batterien durch die Anwendung eines generischen Batteriealterungsmodells und praktischer Versuchsreihen untersucht.
Für eine ganzheitliche Betrachtung der Umweltwirkungen des induktiven und konduktiven Ladens erstellt die FfE vergleichende Lebenszyklusanalysen (LCA). Diese Analysen werden genutzt, um Potenziale zur Verbesserung der Umweltbilanz der Ladetechnologien, beispielsweise durch kreislaufwirtschaftliche Maßnahmen, zu identifizieren und zu bewerten. Aus den Ergebnissen werden Handlungsoptionen für eine nachhaltige Ladeinfrastruktur abgeleitet.
FfE-Inhalte im Projekt
Die Entwicklung und Erprobung eines Mess- und Abrechnungsverfahrens für dynamische Induktivladesysteme wird von der FfE wissenschaftlich begleitet. Konkrete Ziele hierbei sind die:
- Durchführung einer LCA, inklusive der Schaffung der benötigten Datenbasis durch die Modellierung von Ladelastgängen für E-LKWs auf Autobahnen
- Quantifizierung der Umweltwirkungen von DWPT gegenüber konduktiver Ladetechnologie und Identifizierung möglicher Stellhebel mittels ökobilanzieller Bewertung
- Ableitung von Handlungsoptionen zur Verbesserung der Umweltbilanz von DWPT-Ladeinfrastruktur basierend auf einer LCA, Kreislaufanalyse und emissionsoptimierten Ladestrategien
Projektpartner
Unter der Leitung von EnBW sind neben der FfE e.V. auch die Electreon Germany GmbH (Electreon), das Institut für Automation und Kommunikation e.V. (ifak), Isabellenhütte Heusler GmbH & Co. KG (ISA), die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), der Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik (EES) der Technische Universität München (TUM) und TOYOTA GAZOO Racing Europe GmbH (TGR-E) am Projekt beteiligt.
Förderung
Das Forschungsprojekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert (Förderkennzeichen: 01MV23017C).
Literatur
[1] SPD, Bündnis 90 – Die Grünen, FDP (2021): Mehr Fortschritt wagen, https://www.spd.de/fileadmin/Dokumente/Koalitionsvertrag/Koalitionsvertrag_2021-2025.pdf (abgerufen am 20.12.2021)
[2] BMF (2021): Sofortprogramm für mehr Klimaschutz, https://www.bundesfinanzministerium.de/Content/DE/Standardartikel/Themen