Mit elektrischen Nutzfahrzeugen auf Touren kommen

Von Dr. Walter Rentzsch, Giovanni Schelfi und Dr. Wilfried Aulbur

Die Notwendigkeit, Treibhausgasemissionen zu bekämpfen, ist real, ebenso wie die Notwendigkeit, die negativen Auswirkungen steigender Temperaturen auf unseren Planeten und unsere Wirtschaft zu begrenzen. Der Verkehrssektor trägt 29 % zu den Treibhausgasemissionen der USA bei. Mittelschwere und schwere Fahrzeuge machen 23 % des Verkehrssektors aus, und die Nutzfahrzeugbranche ist sich bewusst, dass sie Teil der Lösung sein muss, um die Dekarbonisierung ihrer Branche voranzutreiben.

(Foto: Chad Elmore)

Die Fortschritte in der Elektrofahrzeugtechnologie sind stetig. Die Batteriepreise sinken, es kommen mehr speziell entwickelte Plattformen auf den Markt und die Fahrzeugleistung verbessert sich insgesamt hinsichtlich der Reichweite. Diese Fortschritte wurden in relativ kurzer Zeit erzielt. Während wir auf rund 130 Jahre Entwicklungsarbeit für den Dieselmotor zurückblicken können, konzentriert sich die Branche seit weniger als zehn Jahren auf Batterien und batterieelektrische Fahrzeuge im großen Maßstab.

Während jedoch der Weg in die Zukunft der Nutzfahrzeugindustrie klarer wird, ergeben sich Herausforderungen zweiter und dritter Ordnung.

Die Anschaffungspreise sind im Vergleich zu Dieselfahrzeugen nach wie vor unerschwinglich hoch, was sich negativ auf Anwendungsfälle mit positiven Gesamtbetriebskosten auswirkt. Betriebsbeschränkungen begrenzen die Anzahl der Strecken, auf denen Fahrzeuge derzeit eingesetzt werden können, oder erfordern mehr Elektrofahrzeuge als Dieselfahrzeuge, um Ladungen von Punkt A nach B zu transportieren. Auch die Ladezeiten sind nach wie vor lang, was die Produktivität der Anlagen verringert und bestehende Fahrervergütungsmodelle in Frage stellt.

Anpassung der Betriebsstrategien

Flottenbetriebsmodelle müssen angepasst werden, und neue Kapazitäten sind erforderlich. Infrastrukturelle Einschränkungen wie die Verfügbarkeit von Parkplätzen schränken die Elektrifizierungsmöglichkeiten ein. Der finanzielle Bedarf an Fahrzeugen und Infrastruktur ist erheblich und belastet die Bilanz von Flotten, insbesondere von Flotten mit weniger Fahrzeugen. Die Zusammenarbeit mit Versorgungsunternehmen ist anspruchsvoll, und die Vorlaufzeiten für die Infrastrukturinstallation übersteigen die branchenüblichen Vorlaufzeiten für Anlagenkäufe um ein Vielfaches.

Diese Herausforderungen, kombiniert mit der aktuellen kritischen Diskussion um Elektrofahrzeuge, führen zu einem höheren wahrgenommenen Technologierisiko, da Flotten den Umstieg von Diesel- auf Elektroantriebe erwägen. Viele Flotten fühlen sich in einer Zwickmühle: einerseits noch ausgereifte Technologien und Geschäftsmodelle, andererseits der Druck von Regulierungsbehörden und der öffentlichen Meinung.

Insbesondere hat sich der Schwerpunkt der Flottendiskussionen von der Fahrzeugverfügbarkeit (oder zumindest davon ab) hin zur Infrastruktur und Verfügbarkeit des Stromnetzes verlagert.

Um diese Situation besser zu verstehen und hoffentlich einige relevante Schlussfolgerungen und Erkenntnisse abzuleiten, haben wir beschlossen, den Fall eines 100-prozentigen Ausbaus für die Elektrifizierung der US-amerikanischen Nutzfahrzeugflotte der Klassen 3 bis 8 zu modellieren.

Ziel unserer Studie war es, den Gesamtinvestitionsbedarf für den Ausbau der Ladeinfrastruktur, der Stromverteilungsnetzinfrastruktur sowie der Stromerzeugungs- und -übertragungsinfrastruktur zu ermitteln, um eine 100-prozentige Verbreitung batterieelektrischer Fahrzeuge (BEV) in der mittelschweren und schweren Nutzfahrzeugflotte zu erreichen. Um es klarzustellen: Diese Analyse ist keine Szenarioprojektion zur Entwicklung der BEV-Verbreitung im Laufe der Zeit, sondern ein Versuch, den erforderlichen Investitionsaufwand für die Umstellung von Kraftstoff auf Elektronen auf der Grundlage vernünftiger, konservativer Annahmen zu ermitteln.

Drei Ladestationen

Unser Modell unterscheidet zwischen drei grundlegenden Ladestandorttypen: Laden vor Ort, lokales Laden unterwegs und Laden unterwegs auf der Autobahn für Langstreckenfahrzeuge.

Das Laden vor Ort umfasst private Ladegeräte an flotteneigenen Standorten sowie gemeinsam genutzte Ladestationen mit spezieller Verfügbarkeit für Flottenkunden. Das lokale Laden unterwegs ist für lokale Anwendungen mit hoher Kilometerleistung relevant und bietet öffentlichen Zugang zu Gleichstrom-Schnellladestationen (DCFC) – im Gegensatz zu einer Kombination aus Level-2-, Level-3- und in einigen Fällen DCFC-Ladegeräten für das Laden vor Ort. Das Laden auf Autobahnen wird durch DCFC-Ladegeräte sowie Level-2/Level-3-Ladegeräte für das nächtliche Laden geparkter Lkw abgedeckt.

Für die Simulation des lokalen Ladenetzes nutzten wir Flottentelematikdaten der National Renewable Energy Library (NREL), um den Tagesbetrieb von Fahrzeugen der Klassen 3 bis 8 (ohne Fernverkehr) zu ermitteln. Die Kilometerverteilung und der Betriebszyklus bestimmten die Aufteilung des Ladebedarfs auf das Nachtdepot und das Aufladen unterwegs. Basierend auf diesen Informationen ermittelten wir die Ladeinfrastruktur, die sowohl im Depot als auch unterwegs installiert werden muss. Aggregierte durchschnittliche Lastkurven pro Fahrzeugklasse wurden abgeleitet. Zusammen mit der regionalen Verteilung der Fahrzeuge pro Gewichtsklasse ermöglichten sie die Simulation von Ladeinstallationen und Lastkurven auf Bezirksebene.

Für Langstreckenfahrzeuge analysierten wir die aktuelle Verteilung der Tankstellen entlang der Autobahnen, ermittelten die Anzahl der Langstreckenfahrzeuge, die an jedem Standort aufgeladen werden müssen, basierend auf dem streckenspezifischen Lkw-Verkehrsaufkommen und differenzierten zwischen Ladebedarf und Nachtladebedarf. Dies wiederum beeinflusst die Investitionen in die Ladeinfrastruktur an jeder Station. Auch hier erstellten wir eine aggregierte Durchschnittslastkurve, die es uns ermöglichte, Ladestationen und Lastkurven auf Bezirksebene zu simulieren.

Die Studie von Roland Berger legt nahe, dass die Elektrifizierung möglicherweise nicht die einzige Möglichkeit zur Dekarbonisierung mittelschwerer und schwerer Straßenfahrzeugflotten ist. (Foto: Chad Elmore)

Und der Preis ist…

Ausgehend von einer nutzbaren Reichweite von 400 Kilometern für Lkw der Klassen 6 bis 8 und DCFC-Ladegeräten mit 500 kW für lokales Laden unterwegs und 1 kW für Autobahn-Laden ergab unser Modell einen Investitionsbedarf von 620 Milliarden US-Dollar für Ladegeräte, Standortinfrastruktur und Versorgungsleistungen. Das Laden vor Ort über Level-2- und Level-3-Ladegeräte macht mit 500 Milliarden US-Dollar den Löwenanteil der Investitionen aus. Die Investitionen in das Laden unterwegs verteilen sich nahezu gleichmäßig auf lokale 500-kW-Ladegeräte und 1-MW-Ladegeräte für Autobahn-Laden (69 bzw. 57 Milliarden US-Dollar).

Die lokalen Ladekosten werden maßgeblich durch Schwerlastfahrzeuge verursacht, die an ihrem Depotstandort Level-3- oder sogar DCFC-Laden benötigen. Pro Fahrzeug benötigen Schwerlastfahrzeuge eine Ladeinfrastrukturinvestition von 145.000 US-Dollar, während mittelschwere Fahrzeuge nur 54.000 US-Dollar benötigen.

Zusätzlich zu diesen Investitionen müssen die Versorgungsunternehmen rund 370 Milliarden US-Dollar in die Modernisierung und den Neubau von Verteilnetzen investieren, um den lokalen Ladebedarf von mittelschweren und schweren Fahrzeugen zu decken. Herausforderungen bei diesem Infrastrukturausbau ergeben sich aus der Notwendigkeit, die Infrastruktur vor dem Bedarf des Lkw-Verkehrs aufzubauen, um Engpässe und Verzögerungen zu vermeiden. Dies erfordert eine ausgefeiltere Netzplanung sowie regulatorische Unterstützung – beides ist bislang begrenzt. Das Gesamttempo der Versorgungsunternehmen wird zudem durch die Notwendigkeit, Tariferhöhungen zu kontrollieren und die Bezahlbarkeit zu gewährleisten, begrenzt.

Zusätzliche Investitionen in Erzeugung und Übertragung sind notwendig und belaufen sich laut unserem Modell auf 44 Milliarden US-Dollar. Diese Investitionen sind jedoch bereits Teil der langfristigen Pläne der Stromnetzbetreiber.

Die Gesamtinvestition von fast einer Billion US-Dollar verdeutlicht den tiefgreifenden Wandel und die große Herausforderung, die die Umstellung der Logistikbranche von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor auf Elektrofahrzeuge (BEV) mit sich bringt. Zusätzlich zu dieser Investition wirken sich deutlich höhere BEV-Preise und betriebliche Einschränkungen zusätzlich auf die Gesamtbetriebskosten von BEVs aus.

Ein batterieelektrischer Mercedes-Transporter, ausgestellt während der Work Truck Week 2024. (Foto: Chad Elmore)

Eine Reihe von Implikationen

Was bedeutet dies für das Tempo der Elektrifizierung in der Nutzfahrzeugindustrie?

Ausgewählte Implikationen der Studie sind die folgenden:

Investitionen müssen kontinuierlich optimiert werden. Die aktuelle Studie geht beispielsweise davon aus, dass BEVs wie Diesel-Lkw betrieben werden. Dies muss angepasst werden, um den Einschränkungen von BEVs Rechnung zu tragen, beispielsweise durch optimierte Routenplanung und gesteuertes Laden. OEMs, Flotten, Energieversorger und Regulierungsbehörden müssen zusammenarbeiten, um geeignete Anwendungsfälle zu identifizieren und einen schnellen Ausbau der erforderlichen Infrastruktur zu ermöglichen. Eine schnellere Verbesserung der technischen Leistungsfähigkeit als derzeit angenommen würde sich ebenfalls positiv auf den Investitionsbedarf auswirken.

■ Investitionen müssen schrittweise erfolgen. Grundlage für eine schrittweise Einführung der Elektrifizierung mittelschwerer und schwerer Fahrzeuge muss die finanzielle Tragfähigkeit sein – d. h., wir konzentrieren uns auf die Anwendungsfälle, die der TCO-Parität am nächsten kommen. Unserer Ansicht nach sind dies mehrere Anwendungsfälle im mittelschweren und schweren Bereich entlang klar identifizierbarer Autobahnkorridore.

■ Elektrifizierung ist möglicherweise nicht die einzige Option zur Dekarbonisierung. Bestimmte Anwendungen oder Routen können durch alternative Lösungen wie erneuerbaren Diesel kostengünstiger bedient werden. Wir müssen uns technologieunabhängig auf kosteneffiziente Lösungen konzentrieren.

■ Angesichts eines Jahresumsatzes der Logistikbranche in den USA von rund 800 Milliarden US-Dollar und niedriger einstelliger Gewinne ist es unrealistisch anzunehmen, dass dieser Wandel aus den Cashflows der Transportunternehmen finanziert werden kann. Zwar ist der Einsatz von privatem Kapital für den Aufbau der Ladeinfrastruktur wünschenswert, doch staatliche Unterstützung in Form gezielter Anreize und Regulierung dürfte notwendig sein, bis Verbesserungen bei Technologie und Geschäftsmodell zu umfassenden TCO-Vorteilen von BEVs gegenüber Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor führen.

Die Logistikbranche wird den Erwartungen an einen sicheren, kostengünstigen und umweltfreundlichen Transport von Gütern und Personen gerecht.

Wir sind überzeugt, dass die Elektrifizierung zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels die vielversprechendste Technologie für eine breite Akzeptanz ist. Angesichts der Herausforderungen, die eine Branchentransformation wie die Umstellung von Verbrennungsmotoren auf Elektrofahrzeuge mit sich bringt, ist die Frage nicht ob, sondern wann. Bei der Formulierung von Erwartungen und Richtlinien ist es unerlässlich, die Anliegen von Flotten und anderen Interessengruppen zu berücksichtigen, um ehrgeizige und dennoch realistische Ziele und Zeitpläne zu formulieren.

Über die Autoren: Dr. Walter Rentzsch ist Direktor, Dr. Wilfried G. Aulbur ist Senior Partner und Giovanni Schelfi ist Partner bei Roland Berger, einer globalen Strategieberatung, die regelmäßig Studien zu Bauwesen, Landwirtschaft und verwandten Branchen für ihre Kunden erstellt. Zu ihren Kunden zählen Hersteller mobiler Geräte sowie Motoren- und Energieversorgungsunternehmen.

Dieser Artikel erschien ursprünglich in der Mai-Ausgabe 2024 von Power Progress.