Beitragsreihe Dynamisches Induktives Laden im Verkehr: Was sind die Rahmenbedingungen der Technologie?

In den letzten Jahren wurden zahlreiche Forschungsprojekte zur praktischen Umsetzung des dynamischen induktiven (Dynamic Wireless Power Transfer – DWPT) Ladens von Elektrofahrzeugen durchgeführt. Diese innovative Technologie ermöglicht eine drahtlose Energieübertragung, bei der Elektrofahrzeuge während der Fahrt aufgeladen werden können. Doch wie genau funktioniert diese Technologie und wo findet sich Induktion und induktives Laden bereits in unserem Alltag wieder? Welches Potenzial birgt das dynamische induktive Laden im öffentlichen Nahverkehr und welche Auswirkungen hat es auf Umwelt, Mensch und Energiesystem? Diesen und weiteren Fragestellungen widmet sich diese Beitragsreihe und beleuchtet das dynamische induktive Laden aus verschiedenen Perspektiven.

Während sich der erste Beitrag mit der Funktionsweise und den Anwendungsbereichen des dynamischen induktiven Ladens beschäftigt hat, analysiert der zweite Artikel die Rahmenbedingungen der Technologie des dynamischen induktiven Ladens, einschließlich Aspekte der Wirtschaftlichkeit, Regulatorik und Akzeptanz.

Das Technologieumfeld der DWPT-Technologie für Elektrofahrzeuge ist äußerst vielfältig und umfasst verschiedene Aspekte. Um ein umfassendes Verständnis für die Technologie zu entwickeln, ist es wichtig, die wirtschaftlichen und technologischen Herausforderungen sowie die regulatorischen, ökologischen und sozialen Aspekten zu betrachten. Dieser Artikel beleuchtet diese Aspekte und ihre Bedeutung für den erfolgreichen Einsatz der DWPT-Technologie im Verkehr.

Im Projekt ELINA werden von der FfE insbesondere die letzten beiden Aspekte zur Technologieakzeptanz und den Auswirkungen auf die Umwelt untersucht.

Ökonomische und ökologische Nachhaltigkeit

Nachfolgend werden wissenschaftliche Erkenntnisse zur ökonomischen Rentabilität und ökologischen Nachhaltigkeit von DWPT im Verkehr, speziell hinsichtlich des CO₂-Ausstoßes, auf qualitativer Ebene analysiert. Generell sollte DWPT in wissenschaftlichen Analysen nicht isoliert, sondern im Vergleich zu einer Referenztechnologie betrachtet werden. Dabei können je nach Anwendungsfall konduktive Ladetechnologien, induktiv statisches Laden oder Oberleitungssysteme in Betracht gezogen werden.

Bauliche Maßnahmen im Zusammenhang mit der Installation der Infrastruktur und den Komponenten spielen eine entscheidende Rolle in Bezug auf die Gesamtkosten, insbesondere wenn diese speziell für den Ausbau von DWPT durchgeführt werden. Die Investitionskosten setzen sich aus verschiedenen Komponenten wie den Spulen, den Energiemanagement-Systemen und den Sensoren zusammen. Zur Ausstattung der Straße zählen zusätzlich das unterirdische Verlegen von Kabeln und Spulen sowie das Verkleben und Verspachteln der Spulen [1]. Dieser erhebliche Aufwand und Materialeinsatz resultiert einerseits in höheren Kosten und spiegelt sich andererseits auch im CO2-Fußabdruck wider. Dem gegenüber steht die Argumentation, dass DWPT-Infrastruktur weniger stark Witterungseinflüssen und Vandalismus ausgesetzt ist [1]. Eine dadurch mögliche Verlängerung der Lebensdauer, potenziell geringere Wartungsanforderungen sowie ein geringerer Platzbedarf durch die Integration in bestehende Infrastruktur könnten zu ökonomischen und ökologischen Vorteilen führen. Allerdings fehlen bisher praktische Erkenntnisse, um einen detaillierten Vergleich zu alternativen Ladetechnologien zu ermöglichen.

Die fahrzeugseitige Ausstattung spielt neben den baulichen Maßnahmen [DW1] [RR2] eine entscheidende Rolle für die ökonomische und ökologische Bewertung. Neben dem Einbau einer Empfängerspule ist insbesondere die Batterie von großer Bedeutung [1,2]. Die Batterieherstellung stellt generell einen wesentlichen Teil des CO2-Fußabdrucks von Elektrofahrzeugen dar [1,2,3]. Bei der ökologischen Bewertung von DWPT können Unterschiede im Vergleich zum konduktiven Laden in Bezug auf Batteriegröße und -lebensdauer auftreten. DWPT kann zu einer kleineren Batterieauslegung führen, da die Reichweite durch das Laden während der Fahrt erhöht wird. Dies resultiert in einem leichteren Fahrzeug und einem reduzierten CO2-Fußabdruck bei der Batterieproduktion [1]. Zudem wird die Batterie durch das kontinuierliche Laden seltener tief entladen, was die Lebensdauer der Batterie potenziell verlängern und somit den Bedarf an neuen Batterien verringern könnte. Dies hat neben der Reduktion von Treibhausgasemissionen auch Auswirkungen auf den Einsatz von Rohstoffen für die Batterieproduktion und die damit verbundenen Umweltauswirkungen [1].

Im Betrieb ermöglicht DWPT im Vergleich zu kabelgebundenem Laden größere Reichweiten bei geringerem Zeitaufwand, da Ladepausen entfallen [1]. Diese Zeitersparnis kann besonders im Personennahverkehr und im Güterverkehr zu ökonomischen Vorteilen durch verbesserte Auslastung führen. Im Vergleich zum Laden von Bussen oder LKWs über Oberleitungen ermöglicht die DWPT-Technologie auch flachere Fahrzeugtypen die Nutzung derselben Ladeinfrastruktur während der Fahrt. Dadurch können bestehende Fahrbahnen ohne zusätzliche überirdische Infrastruktur genutzt werden.

Energetisch betrachtet gibt es weitere Aspekte zu berücksichtigen. Das Laden während der Fahrt ermöglicht die Nutzung regenerativer Energiequellen wie Solarenergie auch tagsüber, während das konduktive Laden oft abends stattfindet. Ein höherer Anteil erneuerbarer Stromquellen beim Laden trägt zu einem geringeren CO₂-Fußabdruck bei. Um das volle Umweltpotenzial von Elektrofahrzeugen auszuschöpfen, muss jedoch der Strommix im Gesamtsystem weiter dekarbonisiert werden [3]. Zudem erfordert die Elektromobilität einen Ausbau des Stromnetzes. Wie sich hierbei DWPT in ökonomischer und ökologischer Hinsicht im Vergleich zu anderen Ladetechnologien schlägt, bleibt eine bisher noch offenen Frage.

Für einen fundierten Vergleich zwischen verschiedenen Ladeinfrastrukturtechnologien bedarf es weiterer Forschung zu ökonomischen und ökologischen Aspekten. Die ökologische Bewertung wird im weiteren Projektverlauf im Forschungsvorhaben ELINA erfolgen. Neben ökonomischen und ökologischen Aspekten spielen auch der regulatorische Rahmen und die Akzeptanz gegenüber dieser Technologie eine zentrale Rolle, wie im Nachfolgenden dargelegt.

Normen und regulatorischer Rahmen

Normen spielen eine maßgebliche Rolle bei der Festlegung der Rahmenbedingungen für jede Technologie. Obwohl DWPT noch nicht flächendeckend im Verkehr eingesetzt wird, existieren bereits zahlreiche Standards und Regelungen, die die Einführung dieser Technologie beeinflussen. Dies gewährleistet, dass Sicherheits- und Qualitätsstandards eingehalten werden und eine reibungslose Integration der Technologie ermöglicht wird.

In Abbildung 2 werden verschiedene Normen für DWPT bei einem elektrischen Bus dargestellt. Diese Standards gelten grundsätzlich auch für andere Fahrzeuge [4].

Besonders relevant für das drahtlose Laden sind zwei Normenreihen, die die einheitliche und effiziente Stromübertragung unter Kompensations- und Resonanzbedingungen für das Fahrzeug und die Infrastruktur festlegen. Die DIN EN IEC 61980 beschreibt die Anforderungen für induktive Ladeeinrichtungen, während die ISO 19363 die spezifischen Anforderungen auf der Fahrzeugseite definiert [4]. Um die Robustheit und Funktionalität in öffentlich zugänglichen Bereichen unter verschiedenen Wetter- und Nutzungsbedingungen zu gewährleisten, werden entsprechende Testverfahren gemäß IEC 61980-1,-2,-3 angewendet [1]. Die Norm IEC 61980-1 gibt es mittlerweile auch als gültige nationale Norm VDE 0122-10-1:2021-09.

Es werden auch neue Standards entwickelt, um die Anforderungen für elektrifizierte schwere Nutzfahrzeuge zu definieren. Es gibt jedoch noch keine europaweite einheitliche Lösung für diesen Bereich. Ein Standard zur Verankerung der Systemanforderungen (basierend auf IEC 61851-23) befindet sich derzeit in der Antragsphase [4].

Um potenzielle gesundheitliche Auswirkungen zu minimieren, werden Expositionsgrenzwerte festgelegt. Internationale Kommissionen evaluieren wissenschaftliche Studien zu den Auswirkungen elektromagnetischer Felder, welche als Grundlage für nationale Gesetzgebung dienen. Die ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) ist die prominenteste dieser Kommissionen und wird sowohl von der WHO als auch von der Europäischen Kommission und der deutschen Strahlenschutzkommission als Referenz genutzt [5]. Die Verordnung über elektromagnetische Felder (26. BImSchV) legt Grenzwerte für statische Felder sowie für Niederfrequenz- und Hochfrequenz-Felder für ortsfeste Anlagen fest, wodurch jedoch beispielsweise Haushaltsgeräte nicht abgedeckt sind. Hier greifen wiederum europaweit harmonisierte Regelungen zur Geräte- und Produktsicherheit (wie z. B. DIN-Normen), die wiederum auf die ICNIRP verweisen [6].

Die ICNIRP legt Referenzwerte für elektromagnetische Feldstärken auf der Grundlage von festgelegten Schwellenwerten fest, ab denen gesundheitliche Auswirkungen nachgewiesen sind. Diese Referenzwerte werden durch Sicherheitsfaktoren berechnet und so festgelegt, dass sie selbst unter ungünstigsten Expositionsbedingungen nicht überschritten werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Exposition gegenüber elektromagnetischen Feldern sicher und gesundheitlich unbedenklich bleibt. Für die berufliche Exposition gelten andere Sicherheitsfaktoren und Grenzwerte [6].

Die Empfehlung des Europäischen Rates aus dem Jahr 1999 zur nationalen Regelung bezieht sich auf die damals publizierten Referenzwerte des ICNIRP. Der Wert für den auf DWPT anwendbaren Frequenzbereich (3–150 Im Weiteren werden neben anderen Aspekten der Technologieakzeptanz vor allem gesundheitliche Auswirkungen durch elektromagnetische Felder diskutiert. Dabei wird der Einsatz von DWPT in den Kontext der hier erläuterten gesetzlichen Referenzwerte eingeordnet und zusätzlich ein Vergleich zum Induktionsherd als Alltagsgegenstand gezogen.

Technologieakzeptanz – Gesundheitliche Auswirkungen

Insbesondere die gesellschaftliche Akzeptanz kann den Markthochlauf einer Technologie beeinflussen. DWPT hat das Potenzial, allgemeine Bedenken hinsichtlich begrenzter Reichweite und Ladezeiten zu entkräften, indem es das drahtlose Aufladen von Elektrofahrzeugen während der Fahrt ermöglicht [1]. Darüber hinaus bietet DWPT eine erhöhte Benutzerfreundlichkeit, da die Handhabung des Ladekabels im Vergleich zum konduktiven Ladens entfällt [1]. Andererseits müssen Herausforderungen wie etwa die präzise Positionierung über den Spulen während der Fahrt berücksichtigt werden.

Gesundheitlichen Aspekte durch den Einsatz von DWPT können ebenfalls eine wichtige Rolle für die Technologieakzeptanz spielen. Einerseits bietet die DWPT-Technologie den Vorteil, dass keine menschliche Interaktion mit Ladegeräten wie Steckern erforderlich ist, was das Unfallrisiko verringert. Andererseits können die induzierten elektromagnetischen Felder unter bestimmten Bedingungen biologische Wirkungen haben.

Eine biologische Wirkung eines elektromagnetischen Feldes tritt auf, wenn auf den Reiz eine messbare Reaktion erfolgt. Jedoch ist dies nicht automatisch mit einem gesundheitsschädlichen Effekt gleichzusetzen, der durch eine erkennbare Beeinträchtigung der Gesundheit gekennzeichnet ist. Die biologische Wirkung elektromagnetischer Felder auf den menschlichen Körper ist nachgewiesen und wird durch diverse Faktoren wie Feldstärke, Einwirkdauer und Leistungsdichte bestimmt [10]. Zudem ist die Wirkung abhängig vom Frequenzbereich. Hohe Frequenzen (100 kHz bis 300 GHz) können zu thermischen Effekten führen, also zur Wärmebildung, während Niederfrequenzen (0,0175 Hz bis 10 MHz) reizende Wirkungen haben können, die sich in einer Stimulation von Nerven- und Muskelzellen äußern [9, 11, 12]. Im überlappenden Zwischenfrequenzbereich (300 Hz bis 10 MHz[RR6] ), in dem sich die DWPT-Technologie befindet, können sowohl reizende als auch thermische Effekte auftreten. Die Verweildauer spielt ebenfalls eine Rolle für das Ausmaß der gesundheitlichen Auswirkungen [1,11].

Grundsätzlich erzeugen viele Alltagsgegenstände, wie beispielsweise Haartrockner oder Bildschirme, elektromagnetische Felder [13]. Der Zwischenfrequenzbereich, in dem DWPT arbeitet, findet sich zunehmend auch in Haushaltsanwendungen wie beispielsweise bei Induktionsherden wieder [11]. Abbildung 3 vergleicht Messwerte von DWPT im Verkehr mit Induktionskochfeldern. Wie bereits beschrieben, beeinflussen diverse Faktoren die Stärke des elektromagnetischen Feldes. Ein zentraler Zusammenhang besteht darin, dass die Intensität der elektromagnetischen Feldstärken mit dem Abstand zur Quelle abnimmt. Je größer die Entfernung von der Quelle ist, desto geringer ist die Belastung. Bei Induktionsherden wurde eine große Spannbreite an Werten gemessen. Das liegt neben Variationen in der Entfernung an unterschiedlichen Betriebsfrequenzen, der Position des Kochtopfs und der Konfiguration der Spulen [11]. Die angegebenen Messwerte (Maximalwerte) für DWPT stammen von einem E-Truck des ELINA Projektpartners Electreon und wurden sowohl innerhalb als auch außerhalb des Fahrzeugs gemessen.

Trotz der Einhaltung der Grenzwerte kann es bei Personen, die elektrische Körperhilfsmittel tragen, zu Störungen dieser Implantate kommen. Für die DWPT-Technologie, wie sie von Electreon eingesetzt wird, hat ein unabhängiges Prüfinstitut die Einhaltung der Referenzwerte für elektrische und magnetische Felder bestätigt. Aufgrund der niedrigen Messwerte sind keine Hinweise oder Einschränkungen für Personen mit Herzschrittmachern erforderlich. Somit sind Passagiere, die öffentliche Verkehrsmittel mit DWPT-Technologie nutzen, nach aktuellem Kenntnisstand keiner gesundheitlichen Gefahr ausgesetzt. Auch beim Überqueren von mit DWPT-Technologie ausgestatteten Straßen oder dem Fahren in konventionellen Fahrzeugen bestehen keine gesundheitlichen Bedenken. Denn die Spulen in der Fahrbahn bleiben inaktiv, solange keine Sekundärspule direkt über ihnen positioniert ist.

Die Technologieakzeptanz von DWPT hängt maßgeblich von der öffentlichen Wahrnehmung der gesundheitlichen Auswirkungen durch elektromagnetische Felder ab. Die Einhaltung der geltenden Normen und Sicherheitsstandards sowie die Berücksichtigung individueller Eigenschaften und Randbedingungen können potenzielle Gesundheitsrisiken minimieren. Ebenso wichtig ist jedoch der Dialog mit beteiligten Stakeholdergruppen. Hierbei spielen Aufklärungsmaßnahmen und eine umfassende Informationsvermittlung über die Funktionsweise und die Rahmenbedingungen der Technologie eine entscheidende Rolle.

Um genannte Aspekte der Akzeptanz zu untersuchen, wird im Projekt ELINA eine Fahrgastbefragung im Feldversuch sowie eine repräsentative Umfrage zur Technologieakzeptanz durchgeführt. Die Ergebnisse werden im Anschluss in dieser Beitragsreihe veröffentlicht.

Fazit

Durch die Analyse des Technologieumfelds von DWPT im Verkehr wird die Vielfalt der Herausforderungen und Chancen deutlich. Es bedarf weiterer Forschung und Entwicklung, um die Technologie eingehender zu untersuchen und zu bewerten. Eine schrittweise Implementierung auf ausgewählten Strecken und eine kontinuierliche Weiterentwicklung der Technologie können hierbei einen Beitrag zum Erweitern aktueller Erkenntnisse leisten. Neben den hier erörterten Aspekten des Technologieumfelds besteht auch Potenzial zur Weiterentwicklung der Technologie selbst. Zudem sind aktuell noch Herausforderungen in der Entwicklung eines Abrechnungssystems zu bewältigen, das insbesondere für andere Anwendungsfälle wie beispielsweise die Autobahn von Relevanz sein wird.

Für eine nachhaltigere und umweltfreundlichere Gestaltung des Verkehrssektor müssen geeignete Ladeinfrastrukturtechnologien je nach Anwendungsfall in der Elektromobilität identifiziert werden. Eine ganzheitliche Betrachtung aller relevanten Faktoren ist unerlässlich, um eine zukunftsfähige Mobilität zu verwirklichen, die sowohl den ökologischen, wirtschaftlichen als auch den sozialen Anforderungen gleichermaßen gerecht wird.

Im Rahmen des Projekts ELINA wird erstmals in Deutschland die DWPT-Technologie für Elektrofahrzeuge im öffentlichen Raum getestet. Die FfE untersucht dabei die Potenziale, die Akzeptanz sowie die Emissionen der DWPT-Technologie im öffentlichen Personennahverkehr. Die Ergebnisse werden in den folgenden Beiträgen dieser Reihe vorgestellt.

Das Projekt EMADI beschäftigt sich ebenfalls mit DWPT, jedoch liegt der Fokus primär auf der Entwicklung eines Abrechnungssystems für den Anwendungsfall auf Autobahnen. Hier erweitert die FfE die bisherige ökologische Bewertung um die Betrachtung des gesamten Lebenszyklus unter Berücksichtigung der Auswirkungen von DWPT auf die Batteriealterung.

Mehr Information

• ELINA – Einsatz dynamischer induktiver Ladeinfrastruktur im ÖPNV
• Beitrag – Wie funktioniert die Technologie und wo kann sie eingesetzt werden?

Literatur

[1] Burkert, A.; Fechtner, H.; Schmuelling, B. (2021). Interdisciplinary Analysis of Social Acceptance Regarding Electric Vehicles with a Focus on Charging Infrastructure and Driving Range in Germany. World Electr. Veh. J., 12, 25. https://doi.org/10.3390/wevj12010025

[2] Bi, Z., Song, L., Kleine, R., De, C., C., & Keoleian, G. A. (2015). Plug-in vs. wireless charging : Life cycle energy and greenhouse gas emissions for an electric bus system. Appl. Energy, 146, 11–19. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.02.031

[3] Agora Verkehrswende (2019). Klimabilanz von Elektroautos. Einflussfaktoren und Verbesserungspotenzial., https://www.agora-verkehrswende.de/veroeffentlichungen/klimabilanz-von-elektroautos/

[4] DKE – Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE Stresemannallee 15, 60596 Frankfurt am Main; www.dke.de (2021): Technischer Leitfaden Ladeinfrastruktur Elektromobilität – Version 4; https://www.vde.com/resource/blob/988408/750e290498bf9f75f50bb86d520caba7/leitfaden-elektromobilitaet-2016–data.pdf

[5] RWTH Aachen (2023): Festlegung der Grenzwerte, EMF-Portal;  https://www.emf-portal.org/de/cms/page/home/more/limits/limit-values

[6] RWTH Aachen (2023): Grenzwerte in Deutschland (Allgemeinbevölkerung), EMF-Portal; https://www.emf-portal.org/de/cms/page/home/more/limits/limit-values-in-germany-general-public

[7] FEA (2017): FEA Merkblatt zum Kochen mit Induktion; https://fea.ch/de/downloads/merkblaetter-zu-energieverbrauch-und-messnormen/induktion/fea-merkblatt-zum-kochen-mit-induktion.pdf

[8] ICNIRP (1998): ICNIRP Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic and electromagnetic fields (up to 300 GHz); https://www.icnirp.org/cms/upload/publications/ICNIRPemfgdl.pdf

[9] ICNIRP (2010): ICNIRP Guidelines for limiting exposure to time-varying electric and magnetic fields (1 Hz – 100 kHz); https://www.icnirp.org/cms/upload/publications/ICNIRPLFgdl.pdf

[10] Bundesamt für Justiz (2013): Sechsundzwanzigste Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verordnung über elektromagnetische Felder – 26. BImSchV) Anhang 1 (zu §§ 2, 3, 3a, 10) (BGB. I 2013, 3270); https://www.gesetze-im-internet.de/bimschv_26/anhang_1.html

[11] WHO (2016): Was sind elektromagnetische Felder? Gesundheitliche Wirkungen im Überblick; https://www.who.int/news-room/questions-and-answers/item/radiation-electromagnetic-fields

[12] Fachverband für Strahlenschutz e.V. (2019): Leitfaden „Elektromagnetische Felder“; https://www.fs-ev.org/fileadmin/user_upload/04_Arbeitsgruppen/08_Nichtionisierende_Strahlung/02_Dokumente/Leitfaeden/Leitfaden_Elektromagnetische_Felder-FS-2019-180-AKNIR_20191017_a.pdf

[13] Bundesamt für Justiz (2016): Verordnung zum Schutz der Beschäftigten vor Gefährdungen durch elektromagnetische Felder (Arbeitsschutzverordnung zu elektromagnetischen Feldern – EMFV), (BGB. I 2016, S.2531); https://www.gesetze-im-internet.de/emfv/BJNR253110016.html

[14] FEA (2017): FEA Merkblatt zum Kochen mit Induktion; https://fea.ch/de/downloads/merkblaetter-zu-energieverbrauch-und-messnormen/induktion/fea-merkblatt-zum-kochen-mit-induktion.pdf