Techno-economic optimization and environmental evaluation of electric vehicles in commercial fleets
Creators: name: Schücking, Maximilian
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021

description: Die Einführung von batterieelektrischen Fahrzeugen (E-Pkw) gilt als eine wichtige Maßnahme zur Emissionsverringerung im Straßenverkehr. Gewerbliche Flotten in Deutschland bilden hierfür einen vielversprechenden Markt. Um dieses Potential zu realisieren, ist sowohl eine techno-ökonomische Optimierung als auch eine ökologische Bewertung über den Lebenszyklus erforderlich. Das Ziel der Dissertation ist es, hierfür ein methodisches Rahmenwerk zu liefern. Die kumulative Dissertation besteht aus fünf Artikeln, die sich den einzelnen Bestandteilen des Rahmenwerks widmen und großteils auf Technologie- und Nutzungsdaten aus eigenen Messungen aufbauen. Der erste Artikel, Schücking et al. (2016) [Paper I], ist eine technische Analyse. Sie untersucht den realen Energieverbrauch von E-Pkws im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen und identifiziert optimale Betriebspunkte. Die Ergebnisse heben den Einfluss verschiedener Faktoren auf den Energieverbrauch als wichtige Komponente detaillierter techno-ökonomischer und ökologischer Betrachtungen hervor. Der zweite und der dritte Artikel haben einen techno-ökonomischen Fokus. Sie beschäftigen sich mit der Frage, wie E-Pkws einen schnelleren wirtschaftlichen Break-even im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen erreichen können. Der zweite Artikel, Schücking et al. (2017) [Paper II], stellt Ladestrategien vor, welche eine höhere Auslastung der E-Pkw ermöglichen und damit zu geringen Gesamtkosten im Vergleich zu konventionellen Pkw führen können. Unsicherheiten in Fahrprofilen und Energieverbrauch begrenzen die Anwendbarkeit dieser Strategien. Der dritte Artikel, Schücking &amp; Jochem (2020) [Paper III], knüpft hieran an. Er schlägt ein zweistufiges stochastisches Optimierungsmodell zur Minimierung der Investition und Betriebskosten eines E-Pkw unter Berücksichtigung dieser Unsicherheiten vor. Neben der stochastischen Betrachtung ist auch die Abwägung zwischen Batteriekapazität und Ladeleistung in der Investitionsentscheidung ein neuer Beitrag zur Forschung. Im Kontext der stochastischen Optimierung werden ein Hidden Markov Modell zur Generierung komplexer Fahrprofile und eine neue Szenario-Reduktionsheuristik als methodische Weiterentwicklungen angewandt. Artikel vier und fünf liefern eine ökologische Bewertung. Die empirischen Daten sowie der Fokus auf den deutsch-französischen Grenzverkehr zeichnen beide Artikel aus. Der vierte Artikel, Ensslen et al. (2017) [Paper IV], konzentriert sich auf die E-Pkw Nutzungsphase. Er verdeutlicht den Einfluss unterschiedlicher Strommixe und Ladezeitpunkte auf die CO2- Emissionen und Reduktionspotentiale. Der fünfte Artikel, Held &amp; Schücking (2019) [Paper V], betrachtet verschiedene ökologische Wirkungskategorien (wie z.B. Klimawandel, Versauerung Eutrophierung) über den gesamten Lebenszyklus mittels eines modularen Screening-Modells. Die Ergebnisse unterstreichen den Einfluss der Batterie und der Nutzungsphase auf die ökologische Gesamtbilanz. Dem übergreifenden Forschungsziel folgend, zeigen die Ergebnisse der einzelnen Artikel in ihrer Kombination, dass die Optimierung des wirtschaftlichen Nutzens auch die ökologischen Vorteile erhöhen kann. Die ex-ante Ermittlung der optimalen Batteriekapazität sowie ein hoher Betriebsgrad erhöhen nicht nur die Wettbewerbsfähigkeit von E-Pkw, sondern beschleunigen unter bestimmten Voraussetzungen auch den ökologischen Break-even in einem Großteil der betrachteten Wirkungskategorien. Die Eigenschaften, die gewerbliche Anwendungen aus wirtschaftlicher Sicht zu einem vielversprechenden Einführungsmarkt für E-Pkws machen, können damit auch die angestrebten ökologischen Vorteile unterstützen.