title: Feasibility analysis of battery electric heavy-duty trucks for local applications based on real usage profiles using the example of a catering lift truck
Creators: name: Wdaah, Lamyaa
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
subject: heavy-duty trucks
subject: catering lift trucks
subject: battery electrification
subject: energy efficiency
subject: TCO
subject: LCA
subject: noise

description: Electrification has emerged as the optimal approach for achieving higher energy efficiency and reduced emissions in the realm of road vehicles. While electrification is gaining ground in the passenger car and light-duty vehicle sectors, it exhibits a lower degree of maturity in the heavy-duty truck domain. One of the key factors contributing to this situation is the substantial initial investment costs resulting from higher energy consumption and more demanding applications, leading to markedly different economic viability conditions for electric heavy-duty trucks. Conversely, electric vehicles offer the advantage of significantly lower energy consumption and reduced maintenance expenses. Consequently, the economic feasibility of employing electric heavy-duty trucks hinges on whether the higher initial investment costs can be offset by lower operating expenditures, necessitating a comprehensive analysis of operational profiles and working conditions to ascertain the truck's realistic energy consumption for a given application. This analysis enables the prediction of whether electrifying the specific heavy-duty truck represents a viable option. Furthermore, it is crucial to underscore other favorable aspects of electric trucks, such as emissions and noise reduction, as well as enhanced efficiency. To address this matter, this thesis presents a simulation-based approach to analyze and evaluate the electrification potential of a special-purpose heavy-duty truck employed in a specific context. The study investigates the competitiveness of an electric prototype truck, developed within a research project, in comparison to conventional diesel catering lift trucks utilized at airports. Real individual usage profiles form the basis for the assessment. Initially, the relevant operating profiles and work conditions pertaining to the catering lift trucks at Frankfurt Airport are determined. Subsequently, a simulation model is employed to calculate the energy consumption for complete work cycles, encompassing driving and operation of the lifting system, utilizing recorded operational data. Based on the simulation results, an efficiency analysis is conducted for both the driving and lifting systems, as well as the overall vehicle. This is followed by a total cost of ownership analysis, which considers all costs associated with the acquisition, operation, and disposal of the trucks, aiming to determine the economic potential and cost differentials throughout their service lifespan. The life cycle environmental impact of the considered catering lift trucks is also evaluated, with a focus on the aspects that distinguish the environmental balance between the two truck technologies. Additionally, noise emissions from both trucks are measured and assessed during driving and lifting system operation. The findings of this study demonstrate that the electric truck exhibits significant advantages in terms of efficiency improvement and consumption reduction compared to the conventional diesel truck. The total cost of ownership analysis reveals that while the electric truck entails substantial incremental acquisition costs, it compensates for this with notable benefits in operational expenses and residual value as compared to the diesel truck. However, the economic operation and profitability of the electric truck are heavily contingent on the acquisition costs and battery prices. The comparison of the environmental impact between the two trucks indicates that, even when utilizing the current German electricity mix, the electric truck demonstrates a superior environmental footprint in comparison to the diesel truck. This advantage is further enhanced when exclusively utilizing electricity from renewable energy sources. Lastly, the acoustic measurements comparison demonstrates that the electric truck generates lower noise levels than the diesel truck, both during driving and lifting system operation.
description: Die Elektrifizierung hat sich als idealer Weg zu höherer Energieeffizienz und weniger Emissionen für Straßenfahrzeuge erwiesen. Während sich die Elektrifizierung im Segment der Personenkraftwagen und der leichten Nutzfahrzeuge bereits auszubreiten beginnt, zeigt sie im Segment der schweren Lastkraftwagen (Lkw) einen geringeren Reifegrad. Einer der wichtigsten Gründe dafür sind die hohen Anfangsinvestitionskosten aufgrund der höheren Energieverbrauch und schwereren Anwendungen, die deutlich andere Rahmenbedingungen für die Wirtschaftlichkeit elektrischer schweren Lkw bedeuten. Andererseits haben Elektrofahrzeuge den Vorteil eines deutlich geringeren Energieverbrauchs und geringerer Wartungskosten. Folglich könnte sich je nach Anwendung der Einsatz eines elektrischen schweren Lkw wirtschaftlich lohnen, wenn die höheren Anfangsinvestitionskosten durch die geringeren Betriebskosten kompensiert werden können. Dies erfordert eine gründliche Analyse der Betriebsprofile und Arbeitsbedingungen, um den realistischen Energieverbrauch des Lkw für den spezifischen Einsatz abzuleiten. Dementsprechend lässt sich prognostizieren, ob die Elektrifizierung des betreffenden schweren Lkw eine tragfähige Option wäre. Darüber hinaus gilt es, weitere positive Aspekte von elektrischem Lkw hervorzuheben, wie etwa die Reduzierung von Emissionen und Lärm oder die Steigerung der Effizienz. Vor diesem Hintergrund wird in dieser Dissertation ein simulationsbasierter Ansatz zur Analyse und Bewertung des Elektrifizierungspotenzials eines schweren Lkw mit Sondereinsatz vorgestellt. Die Wettbewerbsfähigkeit eines in einem Forschungsprojekt entwickelten Elektro-Prototyps wird im Vergleich zu konventionellen dieselbetriebenen Catering-Hubfahrzeuge, die auf Flughäfen eingesetzt werden, anhand realer individueller Nutzungsprofile untersucht. Dazu werden zunächst die für die am Flughafen Frankfurt eingesetzten Catering-Hubfahrzeuge relevanten Einsatzprofile und Arbeitsbedingungen ermittelt. Anhand eines Simulationsmodells wird auf Basis der erfassten realen Betriebsdaten den Energieverbrauch für komplette Arbeitszyklen inklusive Fahren und Bedienen des Hubsystems ermittelt. Basierend auf den Simulationsergebnissen wird eine Effizienzanalyse individuell für die Antriebs- und Hubsysteme sowie für das Gesamtfahrzeug durchgeführt. Anschließend wird eine Gesamtbetriebskosten- (Total Cost of Ownership) Analyse durchgeführt, um das wirtschaftliche Potenzial und die Kostenunterschiede zwischen den beiden Lkw über die gesamte Lebensdauer zu ermitteln, wobei alle Kosten berücksichtigt werden, die mit der Anschaffung, dem Betrieb und der Verwertung des Lkw verbunden sind. Auch die Lebenszyklus-Umweltauswirkungen der betrachteten Catering-Hubfahrzeuge werden bewertet, wobei der Schwerpunkt auf den Aspekten liegt, die einen Unterschied in der Umweltbilanz zwischen den beiden Lkw-Technologien ausmachen. Zusätzlich werden die Geräuschemissionen beider Lkw gemessen und bewertet sowohl für das Lkw-Vorbeifahren als auch für den Betrieb des Hubsystems. Die Arbeitsergebnisse zeigen, dass der Elektro-Lkw einen großen Vorteil hinsichtlich Effizienzsteigerung und Verbrauchsreduzierung gegenüber dem konventionellen Diesel-Lkw hat. Die Gesamtbetriebskosten-Analyse zeigt, dass der Elektro-Lkw zwar sehr hohe inkrementelle Anschaffungskosten hat, aber gegenüber dem Diesel-Lkw deutliche Vorteile bei den Betriebskosten sowie beim Restwert hat. Die Wirtschaftlichkeit und Rentabilität des Elektro-Lkw hängen jedoch maßgeblich von den Anschaffungskosten und Batteriepreisen ab. Der Vergleich der Umweltauswirkungen der beiden Lkw zeigt, dass der Elektro-Lkw auch bei Verwendung des heutigen deutschen Strommixes eine bessere Umweltbilanz im Vergleich zum Diesel-Lkw aufweist. Der Vorteil des Elektro-Lkw wird verstärkt, wenn ausschließlich Strom aus erneuerbaren Energiequellen verwendet wird. Abschließend zeigen die Vergleichsergebnisse der Akustikmessungen, dass der Elektro-Lkw sowohl beim Fahren als auch beim Bedienen des Hubsystems weniger Lärm verursacht als der Diesel-Lkw.