Der Akkutausch erfordert weniger Akkus, als man denkt.

Der Antriebssystem Janus Electric wird von OZ Minerals eingesetzt. Foto mit freundlicher Genehmigung von Qube.

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Vor einiger Zeit schrieb ich einen Artikel über Janus Electric, ein australisches Unternehmen für Elektro-Lkw, das auf Diesel-Halb-Elektro-Umrüstungen sowie Batterietausch setzt. Ich legte den Artikel beiseite, bis ich zufällig auf ein Interview mit Janus-CEO Ben Hutt stieß. Der Interviewer fragte, wie hoch die zusätzlichen Kosten für die Batterien waren, wenn die Lkw im Tauschmodus als Flotte eingesetzt wurden. Er antwortete, es seien etwa 30 %. Janus kennt sich damit aus, da sie schwere Lkw-Frachtkorridore einrichten oder betreiben. Tatsächlich hatte ich schon vor langer Zeit Berechnungen durchgeführt, die zeigten, wie dieses clevere Verfahren funktioniert.

Zu Beginn, als ich die Abläufe beim Austausch von Lastwagen untersuchte, verwendete ich das Konzept der Einheitenabrechnungstransaktion – das grundlegendste Element zur Aufladung der Batterien. Im Laufe der Zeit erstellte ich Darstellungen dieser Einheitenabrechnungen, um zu zeigen, wie sie funktionieren und wie sich die jeweiligen Zellen erweitern. Wenn ein Bild tausend Worte wert ist, ist es auch eine hervorragende Möglichkeit, zu verstehen, wie etwas funktioniert, und die Mathematik bildlich darzustellen. Als ich auf den Zitat des Janus-CEO stieß, erinnerte ich mich sofort an ein Konzept, das ich in einem kurzen Artikel mit dem Titel „EV Station & Charger Planning“ beschrieben hatte. Lassen Sie uns dies anhand des einfachsten Einheitenabrechnungsvorgangs und seiner Skalierbarkeit veranschaulichen. Es handelt sich dabei um eine Analyse ohne Wartezeit; jede Erweiterung erfolgt durch die Überlagerung verschiedener Methoden. Machen wir das mit Bildern – so sieht eine Einheitenabrechnungstransaktion aus:

Um die Transportvorgänge über größere Entfernungen zu ermöglichen, können wir eine Methode anwenden, die ich als Kettenstaging bezeichne. Indem jeder LKW im richtigen Abstand startet, sind alle LKW so angeordnet, dass zwischen den Stationen stets ein LKW unterwegs ist. Ich nenne das Kettenstaging, weil es wie eine Kette aussieht: Zwischen den Austauschstationen mit mobilen Batterien befindet sich nur ein LKW, und in der Station lädt langsam eine Ersatzbatterie auf. Dies können wir veranschaulichen, indem wir die Transportvorgänge miteinander verknüpfen – siehe Abbildung 2.

Bemerken Sie, dass dieses Konzept in beide Richtungen funktioniert. Wir können das Bild umkehren und Lastwagen zeigen, die in die entgegengesetzte Richtung fahren. Es ist leicht zu verstehen, wie wir ein System von Stationen schaffen können, das zwei Endpunkte bei jeder beliebigen Entfernung miteinander verbindet. Das Verhältnis von Batterien, Lastwagen und Stationen entspricht dem der Einheitstransaktion. Man könnte dies einen Kettenkreis nennen – das macht Sinn, denn die Lastwagen fahren stets von der Abholstelle zum Zielort und zurück. Sehen Sie, wie einfach es ist, die Skalierung in Abbildung 3 zu erkennen?

Falls die Abfahrten der Fahrzeuge schrittweise erfolgen, kann nur ein LKW unterwegs sein, wobei an jeder Station eine Ersatzbatterie bereitgestellt wird. Auf diese Weise können wir die Abfahrtszeiten so anpassen, dass stets ein LKW auf dem Weg zur nächsten Station ist und für jeden LKW jeweils eine mobile Batterie sowie eine Ersatzbatterie vorhanden sind. Die Skalierung ist somit einfach.

Dann können wir die Methode des Routenfüllens nutzen. Anstelle eines LKWs zwischen den Stationen wählen wir eine andere Anzahl von LKWs für die Strecke. Wenn wir drei wählen, gibt es stets drei LKWs mit mobilen Batterien sowie eine Ersatzbatterie. In der Zeit zwischen den unterwegs befindlichen LKWs kann die Batteriepackung aufgeladen werden, anschließend erhält der LKW ein neues Pack und lässt ein anderes zum Aufladen zurück. Dadurch wird die Anzahl der verwendeten Batterien sowie die Spitzenleistungsanforderung minimiert. Hier wird deutlich, wie Janus bei der Verwendung von Routenfüllung – mit drei LKWs auf der Strecke, wie in Abbildung 4 dargestellt – nur eine Batteriekostenbelastung von 33 % für Ersatzbatterien benötigt.

Der Artikel zeigt, wie LKW-Transporte in Wellen stattfinden können, wobei gleichzeitig mehrere LKW abgeschickt werden. Auf diese Weise kann das Frachtvolumen der Flotte gezielt gesteigert werden. Die Auswirkungen mehrerer gleichzeitiger Abfahrten sind in Abbildung 5 dargestellt.

Batterien können in 4 Minuten ausgetauscht werden, und die ankommenden LKW werden entsprechend bedient. In der Praxis werden beispielsweise bei vier ankommenden LKW alle innerhalb von 16 Minuten bedient, und weitere Austausche erfordern keine Wartezeiten, da die Ankünfte alle 4 Minuten erfolgen. Der Zeitabstand zwischen den LKW-Wellen kann länger sein als die Dauer des Batterieaustauschs.

Durch Verkleinerung der mobilen Akkupakete kann die Tragfähigkeit erhöht werden. Wie dies funktioniert, ist in der Abbildung dargestellt. Stationen in halbierter Entfernung voneinander reduzieren die Größe des Akkus um die Hälfte. Die Gesamtmenge an Systemakkus bleibt gleich, doch die Größe des mobilen Akkus halbiert sich und die Tragfähigkeit des Lkws steigt, wie in Abbildung 6 zu sehen ist.

Schließlich ermöglichen Konzepte zur Einheitenabrechnung ein einfaches Darstellen und Vergleichen des Spitzenstrombedarfs sowie der Energieanforderungen von Systemen. Die grafische Analyse zeigt, wie das Akkutauschverfahren funktioniert, wie es sich den Bedürfnissen anpasst und wie der Spitzenstrombedarf im Netz sowie die Betriebskosten der Tauschstationen auf flexible und vorhersehbare Weise minimiert werden können.

Fazit

Illustrationen zu Transaktionseinheiten sind eine nützliche Methode, um die Bedürfnisse an Akkulaadungen für Elektrofahrzeuge visualisierbar zu machen. LKWs können mit nur einem Drittel der Anzahl an Akkus auskommen, sofern die Infrastruktur für den Akkutausch entsprechend reduziert wird. Grafische Darstellungen zeigen leicht, wie der Frachtverkehr die Spitzenlasten im Stromnetz, die Akkuvorgaben sowie die Kapitalkosten des Systems durch Konzepte wie geplante Abfahrtszeiten, Routenoptimierung und mehrere Abfahrten minimieren kann. Diese Darstellungen erleichtern die Planung der Anfangsphase und Erweiterung sowie die Analyse der Kapitalkosten und Betriebskosten. In elektrischen Frachtsystemen lohnt es sich, den Transport in einer kontinuierlichen Kette zu organisieren und zu koordinieren – insbesondere für Frachtkorridore zwischen Häfen sowie großen Lagerhäusern, Minen und anderen zentral gelegenen Frachtzielen. Man benötigt keinen Akkutausch pro LKW. Durch die Routenoptimierung kann die System-Akkusinfrastruktur effizienter genutzt werden.

Die Anforderungen an die Stromversorgung können auf einen Bruchteil der Anforderungen an die Mobilitätsbatterien reduziert werden. Weitere Erläuterungen können zeigen, wie andere Strategien den Bedarf vom Lager bis zur Verteilung in Einzelhandelszentren abdecken sowie wie die Systemgranularität den lokalen Lieferbedarf auf jeder Ebene und bei jeder Streckenlänge berücksichtigt. Es gibt weitere Konzepte, die für den Betrieb von Fernstationen erforscht werden können.