Alles über Hybrid-, Elektro-, Brennstoffzellen-, Oberleitungs- und Biogasantriebe für LKW

quelle Daimler

Hybrid, Batterie, Brennstoffzelle, Oberleitung, Biogas

Das müssen Sie über alternative Antriebe für Lkw wissen

Nicht nur bei PKW liegen Elektroantriebe im Trend. Auch bei Nutzfahrzeugen überschlagen sich die Hersteller mit neuen Entwicklungen für alternative Antriebe. Das Spektrum reicht dabei von batterieelektrischen Antrieben ähnlich denen in E-Autos über wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen bis zu Oberleitungssystemen, Hybridantrieben, die Diesel- und Elektromotor verbinden sowie Biogas-Verbrennungsmotoren. Neben den etablierten Nutzfahrzeug-Herstellern mischen dabei auch zahlreiche Start-Ups erfolgreich mit. Wer bietet welche Lösungen? Was sind die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Technologien? Antworten auf diese und viele weitere Fragen in diesem Report.

Spätestens seit dem Dieselskandal hat die Politik dem Diesel den Kampf angesagt – zumindest im Pkw. Durch das steigende Bewusstsein über den schädlichen Einfluss von CO2 auf das Klima rückt jedoch auch der Diesel im Nutzfahrzeug mehr und mehr in den Fokus. Zielten alle bisherigen gesetzlichen Abgasregelungen für Nutzfahrzeuge rund um den Globus vor allem darauf ab, für den Menschen schädliche Emissionen wie Kohlenmonoxid, Stickoxide und Partikel auf ein Minimum zu reduzieren, so geht es nun darum, den CO2-Ausstoß massiv zu senken. Da der CO2-Ausstoß von Verbrennungsmotoren in direkter Relation zum Verbrauch steht, bedeutet das: runter mit dem Verbrauch.

CO2-Ausstoß von Lkw muss um 75 Prozent sinken

Das Ziel des Pariser Klimaschutzabkommen ist die Begrenzung der Erderwärmung auf unter 1,5 Grad Celsius gegenüber der vorindustriellen Zeit. Die Maßnahmen, die dafür notwendig sind, erfordern eine Reduzierung der weltweiten Kohlendioxid-Emissionen von heute 40 Mrd. Tonnen auf 10 Mrd. Tonnen in 2040. Übertragen auf den in heutigen Lastwagen eingesetzten Dieselmotor hieße dies: innerhalb von 20 Jahren den Kraftstoffverbrauch von heute durchschnittlich 33 Liter auf dann nur noch 8,25 Liter pro 100 Kilometer zu senken. Zwar ist es den Nutzfahrzeugherstellern gelungen, den Verbrauch von 40-Tonnern in den letzten 30 Jahren um 30 Prozent zu senken, doch eine weitere Senkung auf ein Viertel des heutigen Verbrauchs lässt selbst mit einer Optimierung der Aerodynamik und einer kontinuierlichen Weiterentwicklung des Diesel-Verbrennungsmotors kaum erreichen. Da sind sich alle Experten einig. Also müssen Alternativen her.

Umdenken bei den LKW-Herstellern

Lange Zeit stand die etablierte Nutzfahrzeugindustrie Alternativen zum Diesel in schweren Nutzfahrzeugen zurückhaltend gegenüber. Noch im Dezember 2018 beklagte der Verband der deutschen Automobilindustrie VDA, die Pläne der EU, den CO2-Ausstoß von schweren Nutzfahrzeugen bis 2030 um 35 Prozent zu senken, seien „technologisch und wirtschaftlich nicht umsetzbar“. Doch nur neun Monate später scheint es, als habe sich die Industrie anders besonnen und setze nun verstärkt auf Alternativen zum Diesel.

Daimler will vollständig CO2-neutralen Transport

So kündigte Daimler, nach eigenen Angaben einer der größten Nutzfahrzeug-Hersteller der Welt, Ende Oktober 2019 an, bis 2039 in Europa, Nordamerika und Japan nur noch Nutzfahrzeuge anzubieten, die im Betrieb völlig CO2-neutral fahren. Erklärtes Ziel sei es, bis 2050 einen vollständig CO2-neutralen Transport zu verwirklichen. Volvo Trucks, ebenfalls einer der großen Global Player im Nutzfahrzeug-Geschäft, hat gerade erst die Markteinführung dreier Lkw-Modelle mit elektrischem Antrieb verkündet – zunächst leichte Lkw für den städtischen Verkehr. Auch DAF und Renault Trucks bieten bereits elektrische Lkw ab Werk an, während Daimler mit dem eActros und MAN mit dem E-Truck noch in der Kundenerprobung sind und Scania in der Serie eher auf Erd- und Biogas setzt und für die Zukunft mit Oberleitungs-Lkw experimentiert. Auch außerhalb Europas, in Japan, Südkorea und Nordamerika laufen die Entwicklungen auf Hochtouren: Ob Daimler-Töchter Fuso und Freightliner, Hyundai, DAF-Mutter Paccar mit seiner Marke Kenworth oder VW-Partner Navistar – alle arbeiten sie an Lkw-Antrieben, die bewusst auf den Diesel-Motor verzichten.

Start-Ups legen bei LKW mit elektrischem Antrieb vor

Allerdings: Den größten Schub im Trend zu alternativen Antriebssystemen haben nicht die etablierten Hersteller, sondern zahlreiche Start-Ups gebracht. So mischt in Amerika beispielsweise E-Auto-Hersteller Tesla durch die Entwicklung seines E-Trucks „Semi“ ebenso mit wie ein Newcomer namens Nikola, an dem unter anderem der Iveco-Mutterkonzern CNH sowie der Automobilzulieferer Bosch beteiligt sind. Nikola hat neben batterieelektrisch angetriebenen Lkw auch mehrere schwere LKW-Modelle mit Brennstoffzellen-Elektroantrieb entwickelt. Die Serienproduktion dieser Modelle soll 2021 beginnen. Aussagen von Nikola-Gründer und -CEO Trevor Milton zufolge liegen dem Unternehmen bereits 14.000 Bestellungen vor. Das E-Truck-Start-Up Xos Trucks aus Los Angeles hat mit UPS einen potenten Partner gefunden, der dabei helfen soll, den E-Truck ET-one und andere batterieelektrische Lkw-Modelle zur Serienreife zu entwickeln.

Auch in Europa haben nicht die großen Lkw-Hersteller, sondern Nischenhersteller und Start-Ups den Weg für den elektrischen LKW geebnet. Unternehmen wie die Schweizer Firma Eforce, Emoss aus den Niederlanden oder Framo und Orten in Deutschland rüsten bereits seit Jahren Serien-Lkw auf Elektroantrieb mit Batteriespeicher um. Und während die E-Trucks der etablierten Hersteller noch im Erprobungsstadium stecken oder gerade erst auf den Markt kommen, haben die Fahrzeuge der Newcomer schon etliche Millionen Praxis-Kilometer unter die Räder genommen.

Unterschiedliche Technologien für unterschiedliche Anforderungen

Auch wenn im Pkw derzeit der elektrische Antrieb mit Batteriespeicher als die erfolgversprechendste Technologie gehandelt wird – schwere und teure Batterien sind vor allem für LKW im Fernverkehr nicht gerade die ideale Lösung für einen lokal emissionsfreien Antrieb. Je nach Kapazität und Reichweite bringen die Batterien zwischen 1,5 und 3,5 Tonnen auf die Waage – Gewicht, das für die Ladung fehlt. Zudem sind im Fernverkehr lange Ladezeiten nur dann machbar, wenn der LKW regelmäßig die gleichen Stationen anfährt, etwa Zentral- und Außenlager, wo während der Be- und Entladung eine Lademöglichkeit für die Batterien zur Verfügung steht. Doch es gibt für LKW Alternativen zur Batterie.

Alternative Antriebe für LKW: Technik, Einsatz, Vor- und Nachteile

Hybrid-Antrieb für Nutzfahrzeuge

Unter Hybrid-Antrieben versteht man eine Kombination aus Verbrennungsmotor und Elektromotor mit dem Ziel, den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Dabei lässt sich zwischen verschiedenen Konzepten unterscheiden. Beim seriellen Hybrid, treibt der Verbrennungsmotor einen Generator an, der dann die Batterie und den Elektromotor mit elektrischer Energie versorgt. Der Antrieb der Räder erfolgt ausschließlich durch Elektromotoren. Ein typisches Beispiel sind sogenannte Range-Extender, bei denen die Reichweite der Batterie durch einen kleinen Verbrennungsmotor erweitert wird. Weiter verbreitet ist jedoch der Parallel-Hybrid, bei dem sowohl der Verbrennungsmotor wie auch der Elektromotor Verbindung zu den Antriebsrädern haben. Da beide Motoren zusammenarbeiten können sie jeweils kleiner und dadurch sparsamer ausgelegt werden.

Neben Hybrid-Systemen, bei denen sowohl der Verbrennungsmotor als auch der Elektromotor so stark ausgelegt sind, dass sie das Fahrzeug jeweils allein antreiben können – Vollhybrid genannt – gibt es auch noch den sogenannten Mild-Hybrid, bei dem der Elektromotor den Verbrennungsmotor unterstützt, aber nicht dafür ausgelegt ist, allein das Fahrzeug anzutreiben. Dank der Unterstützung durch den Elektromotor ermöglicht die Kombination aus Diesel- und Elektroantrieb eine kleinere Auslegung des Dieselaggregats.

Quelle: DAF

Allen Hybriden gemein ist ein regeneratives Bremssystem. Beim Bremsen wird der elektrische Antriebsmotor zum Generator, wandelt einen Teil der kinetischen Energie in elektrische Energie um und lädt damit die Batterien auf. Diese Funktion ist maßgeblich für die Verbrauchseinsparung verantwortlich. Daher sind Hybridantriebe in Nutzfahrzeugen vor allem dort sinnvoll, wo es häufige Brems- und Beschleunigungsvorgänge gibt – also beispielsweise im innerstädtischen Verkehr. Da der Hybrid-Antrieb zwar sparsam ist, aber dennoch nicht auf einen Verbrennungsmotor verzichtet, gilt der Hybrid gemeinhin als praktikable und wirtschaftliche Übergangstechnologie.

Beispiele für LKW-Modelle mit Hybrid-Antrieb:

  • DAF CF Hybrid
  • Emoss EVER
  • Scania R 450 Hybrid

Batterie-elektrischer Antrieb für LKW

Beim PKW weit verbreitet, beim LKW im Kommen. Der elektrische Antrieb mit Batterien verzichtet vollständig auf einen Verbrennungsmotor. Die elektrische Energie zum Fahren liefern Batterien – heute meist Lithium-Ionen-Akkus. Diese müssen so ausgelegt sein, dass Sie einerseits genügend Leistung liefern, um einen beladenen LKW antreiben zu können, andererseits aber auch so viel Kapazität haben, dass sie einen ganzen LKW-Arbeitstag durchhalten. Zugleich müssen die Batterien so leicht sein, dass dem Lastwagen möglichst viel Nutzlast bleibt.

Dieser Zwiespalt zwischen Leistung, Reichweite und Gewicht galt lange Zeit als Haupthindernis für den Einsatz im LKW. Während Pkw-Besitzer ihr Fahrzeug im Durchschnitt gerade mal 35 Kilometer pro Tag bewegen, bringt es ein Lkw ohne Mühe auf 300 Kilometer – im Güterfernverkehr auch locker auf das Doppelte. Doch die Entwicklung der Batterietechnik und vor allem des Energiemanagements im Fahrzeug brachte hier in den letzten Jahren enorme Fortschritte. Vor allem an der Energiedichte, also der speicherbaren Energie pro Kilogramm Batterie arbeiten Forscher wie Hersteller. Während aktuelle Akkus eine Energiedichte von 130 bis 150 Wattstunden (Wh) pro Kilogramm haben, sollen künftige Generationen bei 300 Wh und mehr liegen. Dann wird auch ein Einsatz im Langstrecken-Lkw denkbar. Alle derzeit verfügbaren und die meisten in der Erprobung befindlichen E-Trucks mit Batterie eigenen sich vorwiegend für den innerstädtischen und regionalen Lieferverkehr.

Quelle: E-Force

Ein begrenzender Faktor beim Batterie-System ist das Laden und die Ladeinfrastruktur. Während normale Ladesäulen meist bis zu 44 Kilowatt (kW) Ladeleistung bieten, erreichen aktuelle Hochleistungsladegeräte, sogenannte Supercharger, eine Ladeleistung von bis zu 150 kW. Künftig sollen aber auch 350 kW und mehr möglich sein. Dies setzt allerdings gekühlte Leitungen und Stecker voraus. Dennoch: ein schwerer LKW, der für eine Reichweite von 300 Kilometer eine Batteriekapazität von rund 450 bis 500 Kilowattstunden benötigt, muss selbst an einer Schnelladesäule für eine volle Ladung mehr als drei Stunden an die Steckdose – bisher also noch keine wirklich brauchbare Option für den Fernverkehr. Tesla verspricht für seinen E-Truck Semi Reichweiten von 800 Kilometern und mehr und will fürs schnelle Laden in den USA ein Netz von Hochleistungssäulen mit 350 kW Ladeleistung aufbauen.

Voraussetzung für einen klimafreundlichen Einsatz des batterieelektrischen Antriebs ist die Verwendung von Strom aus erneuerbaren Energien zum Laden der Batterien. Lädt der LKW den Strom allerding aus dem allgemeinen Stromnetz, kommt er beim aktuellen Strommix in Deutschland von rund 53 Prozent aus fossilen Brennstoffen und bei einem Verbrauch von 100 kWh pro 100 Kilometer noch immer auf einen CO2-Ausstoß von 474 Gramm pro Kilometer. Immerhin nur die Hälfte eines Diesel-Lkw, aber eben längst nicht CO2-neutral.

Beispiele für LKW mit batterieelektrischem Antrieb:

  • DAF LF Electric / CF Electric
  • eForce EF18 / EF18SZM / EF 26 / EF 26 KSF
  • Emoss EMS 10 Serie / EMS 12 Serie / EMS 16 Serie / EMS 16 Serie
  • Mercedes-Benz eActros (Erprobungsphase)
  • Volvo FL Electric / FE Electric

Elektrischer Antrieb mit Wasserstoff und Brennstoffzelle

Gewicht, Reichweite, Ladedauer – wo der batterieelektrische Antrieb deutliche Schwächen zeigt, trumpft der Wasserstoffantrieb auf. Das Gas Wasserstoff ist leicht, und auch die Brennstoffzelle zur Stromerzeugung reicht samt kleiner Batterie zum Zwischenspeichern nicht annährend an das Gewicht eines 300 kWh-lithium-Ionen-Akkus heran. Mit einer Tankfüllung lassen sich – je nach Tankgröße – leicht 500 Kilometer Reichweite und mehr erreichen. Und zudem lässt sich Wasserstoff in flüssiger Form genauso schnell tanken wie Diesel. Dennoch steht die Technik im LKW erst am Anfang.

Basis dieser Antriebsart ist die Brennstoffzelle. Diese nutzt die chemische Reaktion von Wasserstoff und Luftsauerstoff, wobei Strom, Wärme und Wasser entsteht. In der Brennstoffzelle wird der zugeführt Wasserstoff mittels eines Platinkatalysators in zwei Elektronen und zwei Protonen aufgespalten. Die Protonen diffundieren durch eine Elektrolytmembran, die nur für Protonen durchlässig ist, auf die Kathoden-Seite mit dem Sauerstoff. Die Elektronen werden dagegen aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen elektrischen Verbraucher, beispielweise einen Elektromotor, zur Kathode. Auf der Kathodenseite nimmt der Luftsauerstoff die Elektronen auf und reduziert so zu Anionen, die sofort mit den Wasserstoffionen zu H2O, also Wasser reagieren – der Stromkreislauf ist geschlossen. Jede einzelne Brennstoffzelle kann in der Praxis eine Spannung von 0,5 bis 1,0 Volt erzeugen. Um höhere Spannungen, etwas für den Fahrzeugantrieb zu erzeugen, werden mehrere Zellen zu sogenannten Stacks zusammengepackt.

Quelle: Nikola

Auch wenn sich das Prinzip einfach anhört, die Nutzbarkeit dieser Technik in mobilen Anwendungen stand lange Zeit in Frage. Wasserstoff ist leicht flüchtig und hochexplosiv – nicht die beste Voraussetzung für eine Nutzung in Fahrzeugen. Hochfeste Tanks, moderne Kupplungssysteme und neuartige Materialen haben jedoch hier erhebliche Fortschritte gebracht. Auch wenn der technische Aufwand noch immer erheblich ist – Wasserstofftankstellen sind heute ebenso sicher und einfach zu bedienen wie Tankstellen für Benzin oder Erdgas. Ein weiterer Nachteil der Brennstoffzelle sind die vergleichsweise hohen Kosten, unter anderem für das Edelmetall Platin, das im Katalysator zum Einsatz kommt. Andererseits findet dieses Metall auch in heutigen Abgasreinigungssystemen von Verbrennungsmotoren Verwendung, die dank der Brennstofftechnologie irgendwann überflüssig werden könnten.

Ähnlich wie bei der Ladeinfrastruktur für batteriebetriebene LKW steckt auch die Tankinfrastruktur für Wasserstoff noch in den Kinderschuhen. In Deutschland stehen derzeit nur rund 100 Wasserstofftankstellen zur Verfügung. Nach Angaben des Tankstellen-Errichters H2 Mobility sollen es bis 2023 etwa 400 sein. Ähnlich sieht es in Nordamerika aus. Start-Up Nikola, der Brennstoffzellen für den Fernverkehr auf den Markt bringen will, plant gemeinsam mit Teilhaber Hanwha den Aufbau eines eigenen Tankstellennetzes, nicht nur in den USA und Kanada, sondern langfristig auch in Europa.

Wie bei der Batterieladung ist auch beim Wasserstoff entscheidend, wie das Gas erzeugt wird. Denn die Wasserstoff-Herstellung aus Wasser erfordert sehr viel Energie, und nur, wenn diese Energie ausschließlich aus regenerativen Quellen stammt, kann die Brennstoffzelle wirklich CO2-neutral Strom erzeugen.

Beispiele mit LKW mit Brennstoffzellenantrieb

  • Fuso Vision F-Cell (Studie)
  • Hyundai H2 Xcient (Erprobungsphase)
  • Kenworth T680 Fuel Cell (Erprobungsphase)
  • Nikola One (Erprobungsphase)

Oberleitungs-LKW

Derzeit laufen in Deutschland Tests zum Betrieb von Oberleitungs-LKW, beispielsweise auf einem Teilstück der Autobahn A5 zwischen Weiterstadt und Frankfurt. Streng genommen sind die Fahrzeuge, die hier zum Einsatz kommen mit einem Hybrid-Antrieb ausgestattet, bestehend aus einem Diesel- und einem Elektromotor mir zusätzlicher Batterie. Der Stromabnehmer, der sogenannte Pantograph sitzt auf dem Dach des Fahrerhauses und wird automatisch ausgefahren, sobald der LKW unter einer Oberleitung fährt. Der so gelieferte Strom treibt den Elektromotor an und lädt die Batterie, die im Fall des Scania R 450 eine Kapazität von 18,5 kWh mitbringt, was einer Reichweite von 10 bis 15 Kilometer in rein elektrischer Fahrt entspricht. Ein 450 PS starker Dieselmotor treibt auf den übrigen, nicht-elektrischen Strecken den LKW an.

Quelle: Scania

Im Vergleich zur Batterie- oder Brennstoffzellentechnologie sind die Kosten für die Ausrüstung des LKW mit Pantograph und Hybridtechnik deutlich niedriger. Allerdings schlagen bei der Oberleitung erhebliche Kosten für die Infrastruktur zu Buche. Jedoch müssten nicht alle Autobahnen mit Oberleitungen bestückt werden. Laut einer Studie des Bundesverkehrsministeriums würde eine Ausstattung von rund 30 Prozent des deutschen Autobahnnetzes mit Oberleitungen genügen, damit rund 80 Prozent der in Deutschland zugelassenen schweren Lkw mit dieser Technologie elektrifiziert fahren können. Lkw-Hersteller Daimler hat sich dennoch aus dem Oberleitungsprojekt zurückgezogen. Begründung: Es gebe bereits ein Oberleitungsnetz für den Güterverkehr – die Bahn.

Beispiele für LKW mit Oberleitungs-Hybrid-Antrieb:

  • Scania R 450 Hybrid, (Erprobungsphase)

Biogas-Antrieb für Nutzfahrzeuge

Gasmotoren sind in LKW bereits seit vielen Jahren erfolgreich als sparsame und umweltfreundliche Alternative zum Diesel in Einsatz. Hauptsächlich in kommunalen Betrieben und in innerstädtischen Verkehren ist Erdgas als Kraftstoff beliebt, denn die vergleichsweise geringe Reichweite bei üblichen Tankgrößen und das lückenhafte Tankstellennetz erschweren den Einsatz von Gas im Fernverkehr. Da Erdgas zu den fossilen Brennstoffen zählt und bei der Verbrennung CO2 entsteht, bietet sich Biogas, beispielsweise aus Kompostieranlagen, als Alternative an. Aktuelle Gasmotoren können auch Biogas verbrennen und gewährleisten so einen CO2-neutralen Antrieb.

Quelle: Daimler

Gasmotoren basieren auf Großserien-Dieselmotoren, die entsprechend umgerüstet sind. Die zuverlässige und erprobte Technik und die weltweite Verfügbarkeit von Ersatzteilen sprechen ebenso für diese Technologie wie die vergleichsweise niedrigen Kosten, sowohl für die Technik, wie für den Kraftstoff. Allerdings findet Biogas meist am Ort der Erzzeugung für die Strom- und Wärmegewinnung Verwendung und ist daher für die Nutzung im LKW nur in begrenzter Menge verfügbar.

Beispiele für Lkw mit Biogas-Antrieb

  • Iveco New Stralis NP 460
  • Mercedes-Benz Econic
  • Renault Trucks D Wide CNG
  • Scania P-, G-, R- und S-Baureihe
  • Volvo FH LNG und FM LNG

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