title: Integration alternativer Lkw-Antriebssysteme bei Transportunternehmen – Entwicklung eines Bewertungsverfahrens am Beispiel von Oberleitungs-Hybrid-Lkw
Creators: name: Linke, Regina Klara
Publisher: name: UNSPECIFIED
Year: 2025

description: In Deutschland trägt der Verkehrssektor signifikant zu den Treibhausgasemissionen bei. Insbesondere im Straßengüterverkehr sind dringend Maßnahmen erforderlich, da dieser Sektor aufgrund des hohen Anteils konventioneller Lkw mit Diesel-Verbrennungsmotoren die Umwelt stark belastet (Umweltbundesamt, 2023). Eine wirksame Maßnahme zur Reduktion von Treibhausgasemissionen im Straßengüterverkehr ist der Umstieg auf umweltfreundliche Energieträger oder auf alternative Antriebe. Hierzu zählen Erdgas-Lkw, Brennstoffzellen-Lkw sowie elektrisch betriebene Nutzfahrzeuge, die entweder stationär geladen werden oder eine dynamische Lademöglichkeit, wie beispielsweise ein Oberleitungsinfrastruktur, nutzen (Biemann et al., 2024).
Die politisch gesetzten Klimaziele und die Notwendigkeit auf einen Umstieg auf alternative Antriebssysteme stehen derzeit jedoch im Konflikt mit den Anforderungen der Transportunternehmen, einen flexiblen, kostengünstigen und damit wettbewerbsfähigen Transport anbieten zu können. Der Diesel-Lkw ist für Transportunternehmen ein vertrautes Transportmittel, dessen Stärken und Schwächen bekannt sind. Dieses Niveau an Erfahrungswerten und Informationen fehlt Transportunternehmen bei alternativen Antriebssystemen bislang. Alternative Antriebssysteme befinden sich aktuell in unterschiedlichen Entwicklungsstadien, wobei nur wenige den höchsten Technologiereifegrad, also den Nachweis des langfristig erfolgreichen Einsatzes im Realbetrieb, bereits erreicht haben (Peters et al., 2021; Plötz et al., 2018). Insbesondere hohe Reichweitenanforderungen der Transportunternehmen stellen die Hersteller alternativer Antriebssysteme noch vor Herausforderungen, und die Effizienz sowie das Emissionseinsparungspotenzial variiert stark zwischen den Alternativen (P. Appel et al., 2024). Außerdem mangelt es an Langzeiterfahrungen mit elektrischen Antriebssträngen und an einer ausgebauten Tank- und Ladeinfrastruktur, die wiederum mit hohen Investitionskosten verbunden ist (Göckeler et al., 2023). Zudem existieren noch keine belastbaren Kennwerte für die langfristigen Gesamtbetriebskosten der verschiedenen Systeme. Die Entwicklung eines geeigneten Bewertungsverfahrens kann die Integration dieser Technologien erleichtern. Indem Entscheidungsträgern ermöglicht wird, das Integrationspotenzial eines alternativen Antriebssystems in ihr Unternehmen bereits vorab oder während des Probebetriebs zu beurteilen, können geeignete alternative Antriebssysteme identifiziert und Fehlinvestitionen vermieden werden.
Über das Integrationspotenzial von alternativen Antriebssystemen sowie deren Akzeptanz bei Transportunternehmen ist aufgrund der noch recht jungen Technologien gegenwärtig zu wenig bekannt und es bedarf weiterer Forschung. Ziel dieser Arbeit ist es daher, ein Bewertungsverfahren zu entwickeln, das es ermöglicht, das Integrationspotenzial von Lkw mit alternativen Antriebssystemen in den Fuhrpark von Transportunternehmen zu ermitteln. Dieses Verfahren kann sowohl begleitend während des Probebetriebs, als auch in vereinfachter Form vor dem Probebetrieb, zur Abwägung und Entscheidungsfindung hinsichtlich der Implementierung, genutzt werden.
Zur Entwicklung des Verfahrens baut diese Arbeit auf wissenschaftlich etablierten Methoden aus drei wesentlichen Forschungsbereichen auf: Methoden zur Entscheidungsfindung in der Verkehrsplanung, Forschungsmethoden aus der Akzeptanzforschung und auf Forschungsmethoden zur Wirtschaftlichkeitsbewertung von Nutzfahrzeugen im Straßengüterverkehr. Erkenntnisse und Methoden dieser drei Forschungsbereiche werden in dieser Arbeit kombiniert und zu einem gesamtheitlichen Verfahren zur Bewertung des Integrationspotenzials von alternativen Antriebssystemen bei Transportunternehmen erweitert. Das entwickelte Verfahren strukturiert den Entscheidungsprozess für Transportunternehmen, indem es, basierend auf einem detaillierten Kriterienkatalog, eine systematische Bewertung der Eignung verschiedener alternativer Antriebssysteme ermöglicht. Der universelle Charakter des Verfahrens erlaubt es, sowohl einzelne Antriebssysteme in verschiedenen Anwendungsfällen (Use Cases) zu bewerten als auch einen direkten Vergleich zwischen mehreren Antriebssystemen anzustellen.
Die Nutzwertanalyse wurde als geeignete Methode identifiziert, um sowohl monetäre als auch nicht-monetäre Bewertungskriterien – einschließlich fahrzeugtechnischer Eigenschaften, betrieblicher Prozesse, Gesamtbetriebskosten und der Akzeptanz verschiedener Akteure – in einem Verfahren zur Bestimmung des Integrationspotenzials alternativer Antriebssysteme zu vereinen. Analog der Struktur einer Nutzwertanalyse gliedert sich das entwickelte Bewertungsverfahren in drei aufeinander aufbauende Ebenen: Bewertungskriterien, Teilziele und Zielbereiche. Auf der differenziertesten Ebene werden, basierend auf aktuellen Erkenntnissen aus der Akzeptanzforschung, Erfahrungswerten mit dem Einsatz von alternativen Antriebssystemen sowie der Kostenkomponenten von alternativen Antriebssystemen, insgesamt 80 Bewertungskriterien ermittelt und definiert. Diese Kriterien werden jeweils einem von zehn übergeordneten Teilzielen zugeordnet, die wiederum einem von vier Hauptzielbereichen – Fahrzeug, Betrieb, Kosten und Akzeptanz – zugeordnet sind. Durch eine Normierung und Gewichtung der bei Anwendung des Verfahrens erzielten Ergebnisse auf den jeweiligen Ebenen kann ein Gesamterfüllungsgrad ermittelt werden. Die Gewichtung, und damit die Relevanz der einzelnen Teilziele und Zielbereiche kann gleichgewichtet erfolgen, wurde im Rahmen dieser Arbeit aber auch durch Befragungen und Experteninterviews mit dem Management von Transportunternehmen empirisch ermittelt.
Das Ziel des Bewertungsverfahrens ist es, den Gesamterfüllungsgrad zu ermitteln, der das Integrationspotenzial als Maß der Erfüllung der Anforderungen von Transportunternehmen an alternative Antriebssysteme widerspiegelt. Der Gesamterfüllungsgrad berücksichtigt sowohl objektive Fahrzeugkriterien (Reichweite etc.), als auch subjektive Bewertungskriterien (bspw. Benutzerfreundlichkeit), die einen Einfluss auf eine erfolgreiche Integration haben. Das Integrationspotenzial wird auf einer Skala von 0 % bis 100 % quantifiziert und zur besseren Interpretation in vier Zonen unterteilt. Wird ein alternatives Antriebssystem anhand des Bewertungsverfahrens in Zone 1 „Kritische Defizite“ (Erfüllungsgrad unter 25 %) eingestuft, bedeutet dies, dass das System den grundlegenden Anforderungen der Transportunternehmen nicht entspricht und signifikante Einschränkungen in den Bereichen Fahrzeugtechnik, Betrieb, Kosten und Akzeptanz aufweist. In Zone 2 „Entwicklungsbedarf“, mit einem Erfüllungsgrad zwischen 25 % und 50 %, erfüllt das alternative Antriebssystem die Anforderungen nur knapp, woraus sich schließen lässt, dass noch erhebliches Verbesserungspotenzial besteht, insbesondere bei der Zuverlässigkeit der Infrastruktur und den Gesamtbetriebskosten, während die Akzeptanz des Managements und der Fahrer noch nicht gefestigt ist. Zone 3 „Standard“ bezeichnet einen Erfüllungsgrad zwischen 50 % und 75 %, bei dem die Anforderungen der Transportunternehmen zufriedenstellend erfüllt werden und bereits Verbesserungen bei fahrzeugtechnischen Eigenschaften und dem Energieverbrauch sowie eine Reduktion der THG-Emissionen erzielt werden können. Insbesondere in dieser Zone ist es sinnvoll, etwaige Stellschrauben zur Steigerung des Integrationspotenzials durch Betrachtung der Bewertungsergebnisse auf Teilzielebene vorzunehmen. Zone 4 „Innovation“ mit einem Erfüllungsgrad zwischen 75 % und 100 % repräsentiert nahezu ideale Bedingungen, unter denen die Anforderungen des Transportunternehmens weit übertroffen werden, was eine hohe Akzeptanz bei allen beteiligten Gruppen und potenziell niedrigere Betriebskosten als bei einem vergleichbaren Diesel-Lkw einschließt.
Oberleitungs-Hybrid-Lkw (OH-Lkw) gehören zu einem der fortschrittlichsten alternativen Antriebssysteme und verfügen zusätzlich zu einem Dieselmotor über eine dynamische Stromversorgung durch einen am Fahrzeug montierten Pantographen. Um das Integrationspotenzial dieser Lkw in Transportunternehmen zu bewerten, wurde das entwickelte Bewertungsverfahren auf OH-Lkw im Rahmen des Forschungsprojekts ELISA (Elektrifizierter, innovativer Schwerverkehr auf Autobahnen) angewendet, das den erstmaligen Realbetrieb von OH-Lkw auf einer fünf Kilometer langen Oberleitungsteststrecke in beiden Fahrtrichtungen zwischen Darmstadt und Frankfurt am Main von Anfang 2019 bis Anfang 2023 umfasste. Aus dem Einsatz wurden sieben unterschiedliche Anwendungsfälle (Use Cases) abgeleitet, die sich in den spezifischen Anforderungen und Rahmenbedingungen der Transportunternehmen, wie Unternehmensgröße, Erfahrung mit alternativen Antrieben und den Einsatzprofilen der OH-Lkw, unterscheiden. Diese Vielfalt ermöglicht eine tiefgehende Untersuchung des Integrationspotenzials unter variierenden betrieblichen Bedingungen und Anforderungen, von Shuttletransporten bis zu temperaturgeführten Lieferungen und Baustofftransporten.
Zur Ermittlung der Bewertung der Use Cases wurden mithilfe eines Mixed-Methods-Ansatz, der sowohl qualitative als auch quantitative Methoden umfasst, umfangreiche Daten erhoben. Zu den Erhebungsmethoden zählen Experteninterviews mit den Fahrern und dem Management der Transportunternehmen, die in regelmäßigen Intervallen stattfanden. Aufbauen auf den Experteninterviews wurden außerdem schriftliche Befragungen mit den Fahrern, den Disponenten und dem Management zu verschiedenen Zeitpunkten im Projektverlauf durchgeführt. Mit Hilfe der schriftlichen Befragungen war es möglich, neben Informationen zur Bewertung der fahrzeugtechnischen Eigenschaften, der möglichen Änderungen in betrieblich-operativen Prozessen oder den mit dem Einsatz von OH-Lkw verbundenen Kosten auch die Akzeptanz der OH-Lkw seitens dieser drei Personengruppen zu erheben. Unterstützt durch explorative Datenanalysen zur Ermittlung relevanter Betriebskennwerte wurde zusätzlich ein Total Cost of Ownership-Modell eingesetzt, um die Betriebskosten der OH-Lkw zu analysieren und zukünftige Kostenentwicklungen zu prognostizieren.
Das Ergebnis der Bewertung der sieben Use Cases zeigt auf, dass der OH-Lkw bereits heute ein Integrationspotenzial, gemessen im mittleren Gesamterfüllungsgrad der Use Cases von ca. 70 % aufweist. Im Vergleich liegt der Gesamterfüllungsgrad eines Dieselreferenz-Lkw bei 72 %. Sowohl aufgrund der geringen Abweichung zum etablierten Dieselreferenz-Lkw als auch aufgrund der geringen Varianz zwischen den Gesamterfüllungsgraden der Use Cases lässt sich ableiten, dass sich der OH-Lkw bei verschiedenen Einsatzbedingungen als Alternative zum Diesel-Lkw eignet.
Die detaillierte Analyse ergibt, dass OH-Lkw aufgrund spezifischer technischer Einschränkungen wie fehlender Schlafkabine oder Nicht-Zulassung für Gefahrguttransporte, unterschiedliche Bewertungen von den Transportunternehmen hinsichtlich der technischen Fahrzeugeigenschaften erzielt. Die Erfüllungsgrade für betriebsrelevante Fahrzeugeigenschaften von OH-Lkw variieren in den Realbetriebsdaten zwischen 50 % und 59 %, während ein hypothetischer Dieselreferenz-Lkw 71 % erreicht, was auf vorhandenes Verbesserungspotenzial bei OH-Lkw hinweist. Durch Maßnahmen, die zu einer höheren Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit führen, oder durch die Optimierung des Instandhaltungskonzepts sowie eine weitere Reduktion des Energieverbrauchs und der THG-Emissionen könnte das Integrationspotenzial des OH-Lkws weiter gesteigert werden. Im Zielbereich „Betrieb“ wird ein mittlerer Erfüllungsgrad von 79 % ermittelt, wobei die Flexibilität durch die Oberleitungsinfrastruktur geringfügig eingeschränkt wird (Abweichung zum Dieselreferenz-Lkw von 16 Prozentpunkten). Die Analyse der Gesamtbetriebskosten zeigt auf, dass die Transportunternehmen durch den Einsatz von OH-Lkw eine Kosteneinsparung von 13 % bis 20 % im Vergleich zu einem Dieselreferenz-Lkw erzielt haben, was hauptsächlich auf die Mautbefreiung und weniger Kraftstoffverbrauch durch Fahrten im elektrischen Betriebsmodus zurückzuführen ist. In Bezug auf die Akzeptanz zeigt sich, dass die Fahrer, die Disponenten und das Management grundsätzlich mit dem OH-Lkw zufrieden sind (Gesamtbewertung von über 69 % im Zielbereich „Akzeptanz“). Das Management bewertet den OH-Lkw positiver als den Dieselreferenz-Lkw, was darauf hinweisen könnte, dass die langfristigen Klimaschutzziele für die Akzeptanz eines alternativen Antriebssystems durchaus eine Rolle spielen.
Mit Hilfe einer umfangreichen Sensitivitätsanalyse wird gezeigt, dass die Gewichtungsänderung der Teilziele und Zielbereiche Auswirkungen auf die Gesamtergebnisse der Bewertung des Integrationspotenzials der OH-Lkw hat. Eine stärkere Gewichtung der Zielbereiche Kosten und Fahrzeug führt beispielsweise zu einem reduzierten Gesamterfüllungsgrad, was die Bedeutung dieser Zielbereiche hervorhebt. Zusätzlich unterstreicht die Variation der Bewertung in Szenarien, die eine minimale Bewertung der Akzeptanz oder der Kosten einbeziehen, den starken Einfluss dieser Faktoren auf das Gesamtergebnis, wobei die Gesamtbetriebskosten besonders wichtig sind und eine genaue Analyse erfordern.
Die Ergebnisse der Bewertung der Fallstudie „OH-Lkw“ basieren auf Realdaten, welche teils unter Rahmenbedingungen gesammelt wurden, die sich nicht ohne weiteres in die Zukunft extrapolieren lassen. Um auch das zukünftige Integrationspotenzial von O-Lkw zu untersuchen, werden Zukunftsszenarien hergeleitet. Hierbei werden insbesondere wichtige Einflussgrößen wie die fahrzeugtechnische Weiterentwicklung, eine mögliche Mautbefreiung, die zukünftige Strom- und Dieselpreisinflation und verschiedene Ausbaustufen der Oberleitungsinfrastruktur, variiert. Im Ergebnis zeigt sich, dass für einen O-Lkw, mit zu der Fallstudie vergleichbaren verbauten Systemkomponenten, in einer ersten erweiterten Testphase bereits eine Kostenreduktion sowie eine Erhöhung des Integrationspotenzials möglich ist. In einem „Markthochlauf“-Szenario mit einer größeren verbauten Batterie und einem erweiterten Oberleitungsnetz steigt die erzielbare Kostenreduktion auf 25 % und das Integrationspotenzial auf 86 %. Im fortgeschrittenen „Markthochlauf“-Szenario mit einem batteriebetriebenen O-Lkw (O-BEV) steigt das Integrationspotenzial sogar auf 88 %.
Im letzten Schritt werden auf Basis der Ergebnisse dieser Arbeit Handlungsempfehlungen an Transportunternehmen für eine erfolgreiche Integration alternativer Antriebssysteme, insbesondere von OH-Lkw, abgeleitet. Die Empfehlungen betonen die Notwendigkeit einer sorgfältigen Abstimmung der Fahrzeuge auf die spezifischen Transportanforderungen. Unternehmen sollten ihren Fuhrpark genau analysieren, die Einsatzgebiete und Reichweiten der Fahrzeuge klar definieren und die Eignung alternativer Antriebe prüfen. Eine fundierte Kostenanalyse durch eine Gesamtbetriebskostenrechnung und die Berücksichtigung staatlicher Förderungen sind entscheidend. Die Einbindung von Fahrern, Disponenten und dem Management in den Integrationsprozess sowie regelmäßige Bewertungen können die Akzeptanz und Effizienz des Betriebs steigern. Zur Umsetzung der Handlungsempfehlungen kann das in dieser Arbeit entwickelte Bewertungsverfahren eingesetzt werden. Zudem ist eine Integration der Tank- und Ladeinfrastruktur in die Tourenplanungssoftware und eine frühzeitige Erprobung der Systeme erforderlich. Letztlich können Transportunternehmen durch die Anpassung ihrer Prozesse und die Nutzung alternativer Antriebssysteme nicht nur Kosten senken und Emissionen reduzieren, sondern auch ihre Wettbewerbsfähigkeit in einem sich wandelnden Marktumfeld verbessern.
Am Beispiel des OH-Lkws wurde gezeigt, dass die Anwendung des Bewertungsverfahrens fundierte Ergebnisse liefert. Als Ausblick wird in der Arbeit auf die Übertragbarkeit des entwickelten Bewertungsverfahrens auf weitere alternative Antriebssysteme eingegangen. Insbesondere wird diskutiert, welche Anpassungen nötig sind, um spezifische Unterschiede zwischen den Antriebssystemen adäquat zu berücksichtigen. Weiterhin wird auf eine mögliche Vereinfachung des Verfahrens durch Reduktion der Bewertungskriterien und eine vereinfachte Datenerhebung eingegangen.