Sollen sich batterieelektrische Antriebe auch im Schwerlastverkehr durchsetzen, kommt man um das Megawattladen nicht herum. Das ist der aktuelle Stand beim Megawattladen für schwere Nutzfahrzeuge.
Damit sich batterieelektrische Lkw durchsetzen, sind Lkw-Hochleistungsladeparks und die Möglichkeit zum Megawattladen eine wichtige Voraussetzung.
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Der Wandel zum batterieelektrischen Antrieb findet nicht nur beim Pkw statt, sondern auch beim Nutzfahrzeug im Schwerlastverkehr. Hier sehen die Transportprofile jedoch naturgemäß anders aus und es ergeben sich im Langstreckentransport mit schweren Lkw besondere Herausforderungen. Das betrifft die Ladesysteme, die Energieversorgung und die Standorte, um batterieelektrische Lkw innerhalb der gesetzlichen Pausenzeiten von 45 min, die jeder Lkw-Fahrer nach 4,5 h Fahrzeit einlegen muss, auch ausreichend schnell laden zu können. "Um dieser Forderung nachzukommen, wird mit dem Megawatt Charging System (MCS) ein neuer Ladestandard mit theoretischen Ladeleistungen bis 3,75 MW entwickelt", erklärt MAN Truck & Bus im Artikel Megawattladen für batterieelektrische Nutzfahrzeuge im Fernverkehr.
Schwere Lkw brauchen große Batteriepacks, damit sie auf vergleichbare Reichweiten kommen wie ihre Diesel-Pendants. Und um diese wiederum schnell genug laden zu können, ist eine deutlich höhere Ladeleistung als bisher erforderlich. "Wurden mit dem Begriff des Schnellladens noch vor wenigen Jahren Speiseleistungen bis 50 kW in Verbindung gebracht, sind es heute beim High Power Charging (HPC) bis zu 350 kW", erklärt Richard Backhaus im Artikel Schnelleres Laden von Pkw und Nfz (Seite 8) aus der MTZ 9-2022.
Während bei leichten Transportern die HPC-Technik ausreichend sei, "müssen für schwere Nutzfahrzeuge neue Ladekonzepte etabliert werden" (Seite 10), so Backhaus weiter. Um einen 40-t-Elektro-Lkw mit einer Batteriekapazität von 400 bis 700 kWh in einer Dreiviertelstunde vollständig aufzuladen, ist laut Siemens, eine Ladeleistung von 550 bis 1.000 kW erforderlich. Diese Anforderungen gingen über den derzeit installierten Schnellladestecker-Standard Combined Charging System (CCS) hinaus, der nur eine maximale Leistung von 500 kW übertragen kann.
Herausforderungen beim MCS-Laden
Bei Siemens wurde bereits 2018 damit begonnen, einen neuen Hochleistungs-Ladestandard zu definieren, der Ladeleistungen von mehr als 3 MW unterstützt. Dieses Megawatt Charging System (MCS), so der Name des neuen Standards, ist ein entscheidender Baustein. Denn ohne Ladekapazitäten in dieser Größenordnung ließe sich keine flächendeckende Elektrifizierung des Lkw-Fernverkehrs erreichen. Das MCS ist ein "international standardisiertes Gleichstrom-Ladesystem mit Leistungen bis zu 3 MW (maximal 3000 A beziehungsweise 1200 V)", erklärt Backhaus. Die Ladeschnittstelle für schwere Nutzfahrzeuge soll grundsätzlich auf den Normen des bewährten CCS und dessen Erweiterung HPC für das Pkw-Laden aufbauen.
Doch aus der gegenüber dem HPC fast zehnfach höheren nominalen Ladeleistung resultieren auch Herausforderungen, wie Michael Zeyen, Geschäftsführer von Vancom und Vorsitzender des Arbeitskreises zur Normung des DC-Ladens beim VDE|DKE, im Artikel von Backhaus erklärt: Dies "betreffen einerseits den Stecker, andererseits aber auch die Zuleitung. Darüber hinaus ergeben sich Fragen wie die Spannungsversorgung der Ladeparks oder die vernetzte Fahrzeuglogistik, um Wartezeiten vor den Ladesäulen zu vermeiden." Weitere Herausforderungen beim MCS-Laden sind die höheren thermischen Verluste als bei der HPC-Aufladung und der hohe Energiebedarf der MCS-Stationen.
Das Fahrzeug betreffend müssen folgende Fragen beantwortet werden, wie AVL im ATZ-Artikel Status, Herausforderungen und Lösungen für die breite Nutzung des Schnellladens erläutert:
- Wie kann man die Batterie am effizientesten mit mehr als 1 MW aufladen?
- Wie beeinflusst diese hohe Ladeleistung die Kühlpfade?
- Wie findet man die besten Anfangsladebedingungen für die Batterie?
- Wie kann ein Thermomanagement für Fahrzeugladeanschluss und Hochvolt-Stromanschlüsse aussehen, um hohe Ladeströme zu gewährleisten?
- Wie geht man mit den erhöhten Anforderungen an die elektrische Sicherheit um, zum Beispiel hinsichtlich Berührungsströme, Grenzwerte für die Y-Entstörkapazität und Kurzschlussschutz?
Verschärfte Grenzwerte
Der Anreiz für eine zügige Umsetzung ist aber da: Denn Lkw-Hersteller müssen den CO2-Ausstoß ihrer Flotten in der Europäischen Union bis zum Jahr 2025 um 15 % senken. Für 2030 soll dieser Grenzwert nochmals verschärft werden. Um die Ziele zu erreichen, müssen die OEMs bis dahin ihr Portfolio um Elektro-Lkw für den Schwerlastverkehr erweitern. Die fehlenden Bausteine sind eine standardisierte MCS-Technologie und die Einführung von gut platzierten öffentlichen MCS-Ladesäulen auf Rastplätzen in der Nähe von Autobahnen. Zudem ist eine intelligente Routenplanung mit integrierter Ladeplanung für den effizienten Einsatz von batterieelektrischen Lkw notwendig.
Derzeit ist auch die Normung für ein Megawatt-Ladesystem noch im Gange, wie AVL erklärt. Die technischen Rahmenbedingungen sind noch also nicht vollständig definiert.
Forschungsprojekte: "Hola", "Nefton" und "Mega-Laden"
Die Entwicklung wird in Deutschland indes anhand mehrerer Pilotprojekte vorangetrieben. Im Rahmen des Projekts "Hochleistungsladen im Lkw-Fernverkehr (Hola)" werden an fünf Standorten entlang der A2 zwischen Berlin und dem Ruhrgebiet insgesamt acht Hochleistungsladepunkte mit dem Megawatt Charging System (MCS) für Lkw aufgebaut und im realen Logistikbetrieb genutzt. Bisherige Forschungsergebnisse wurden kürzlich auf einer europäischen "Hola"-Konferenz in Berlin vorgestellt. Die Konferenz habe gezeigt, so die Forschungsleiter vom Fraunhofer ISI, dass die Bedarfe an verfügbaren Schnellladestationen mit MCS-Ladetechnologie in den kommenden Jahren massiv wachsen werden.
Das Forschungsprojekt Nefton unter der Leitung der Technischen Universität München will einen seriennahen Prototypen eines elektrifizierten Nutzfahrzeugs und eines entsprechenden Ladesystems mit einer Ladeleistung im Megawatt-Bereich entwickeln und erproben. Im Mai 2024 soll im Rahmen einer Technologiedemonstration zum ersten Mal ein Lkw mit dem Ladesystem mit 1 MW geladen werden.
Im Projekt "Mega-Laden", geleitet vom Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme (IVI), wird ein vollautomatisches Schnellladesystem für E-Lkw entwickelt und als Demonstrator aufgebaut. Die elektrische Aufladung des E-Lkw soll automatisch nach der Einfahrt in ein Logistikzentrum innerhalb von Minuten erfolgen. Ende November 2023 hat eine erste Demonstration des Schnellladesystems in Dresden stattgefunden. Das Projekt läuft noch bis Juni 2024.