Electrification of road freight transport – public fast charging infrastructure and the market diffusion of battery electric trucks

Der schwere Straßengüterverkehr ist in Deutschland und Europa jeweils für rund 7% der energierelevanten Treibhausgasemissionen verantwortlich. Batterieelektrische Lkw sind eine vielversprechende Option, um die europäischen Klimaziele im schweren Straßengüterverkehr einzuhalten. Eine öffentliche Schnellladeinfrastruktur mit hoher Leistung gilt dabei als Voraussetzung für den Einsatz im Langstreckenverkehr. Diese Arbeit untersucht den Bedarf an öffentlicher Megawatt-Ladeinfrastruktur für schwere Nutzfahrzeuge in Deutschland im europäischen Kontext sowie dessen Auswirkungen auf den Markthochlauf batterieelektrischer Lkw.
Zuerst wird der Bedarf an öffentlicher Megawatt-Ladeinfrastruktur anhand des regional aufgelösten Verkehrsaufkommens analysiert. Unter Berücksichtigung von Verkehren zwischen 1.630 Regionen in Europa und der lokalen Parkplatzverfügbarkeit wird mittels gemischt-ganzzahliger Optimierung ein minimales Ladestationsnetzwerk für Deutschland errechnet. Zusätzlich wird mit einem weiteren Ansatz, der Ladeinfrastruktur in regelmäßigen Abständen vorsieht, ein nutzerfreundlicheres Ladenetzwerk in verschiedenen Ausbaustufen entworfen. Im zweiten Schritt wird ein agentenbasiertes Modell entwickelt, das den gemeinsamen Markthochlauf öffentlicher Ladeinfrastruktur und batterieelektrischer Lkw in Deutschland bis 2050 simuliert. Unter Berücksichtigung von 2.410 Tagesfahrprofilen wird mittels zeitlich aufgelöster Fahrsimulation die technische Machbarkeit batterieelektrischer Lkw geprüft. Die ökonomische Bewertung der Einzelfahrzeuge erfolgt auf Basis der Gesamtkosten unter Berücksichtigung der Infrastrukturkosten. Die Simulation zeigt den marktgetriebenen Bedarf an öffentlicher Megawatt-Ladeinfrastruktur bis 2050 und dient als Input für die integrierte Infrastrukturplanung.
Die Ergebnisse zeigen, dass für eine vollständige Flottenumstellung circa 5.000 Megawatt-Ladepunkte an wenigen Hundert Standorten in Deutschland nötig sind. Große Standorte mit geringem Abstand sind insbesondere an den Korridoren zwischen den Häfen in Belgien und den Niederlanden sowie Polen und Österreich notwendig. Aufgrund der hohen Energiemenge von circa 5 TWh jährlich an öffentlicher Megawatt-Ladeinfrastruktur in Deutschland bei nahezu vollständiger Flottenumstellung, kostet die Infrastruktur weniger als 0,1 €2020/kWh. Sie hat damit nur geringen Einfluss auf den mittelfristig in dieser Arbeit identifizierten hohen Kostenvorteil batterieelektrischer Lkw gegenüber Diesel-Lkw. Die Analysen zeigen, dass nur etwa 15% der Fahrzeuge, die für 30% der Fahrleistung verantwortlich sind, auf öffentliches Megawatt-Laden angewiesen sind. Mehr als die Hälfte der nach 2035 benötigten knapp 35 TWh elektrischer Energie kann an privater Infrastruktur mit weniger als 44 kW Leistung geladen werden. Zukünftig sollte die private Langsamladeinfrastruktur daher stärker berücksichtigt werden.

Today, heavy road freight transport is responsible for about 7% of energy-related greenhouse gas emissions in Germany and Europe. Battery-electric trucks are a promising option to meet the European climate targets for heavy road freight. Yet, a public fast-charging infrastructure with high power is considered to be mandatory for their use in long-haul transport. In this thesis, the need for megawatt charging infrastructure for heavy-duty vehicles in Germany in a European context and its impact on the market diffusion of battery-electric trucks is investigated.
As a first step, the need for public megawatt charging infrastructure is analyzed based on the regionally resolved road traffic volume. Considering traffic between 1,630 regions in Europe and local parking availability, a minimum charging location network for Germany is calculated, using mixed-integer optimization. In addition, a more user-friendly charging location network in different expansion stages is designed, using another approach that provides charging infrastructure at regular intervals. As a second step, an agent-based model is developed that simulates the joint diffusion of public charging infrastructure and battery electric trucks in Germany up to 2050. Taking into account 2,410 daily driving profiles, the technical feasibility of battery-electric trucks is tested, using time-resolved driving simulation. The economic evaluation of single vehicles is based on the total cost of ownership, taking infrastructure costs into account. The simulation shows the market-driven demand for public megawatt charging infrastructure up to 2050 and serves as input for the integrated infrastructure planning.
The results show that approximately 5,000 megawatt charging points are needed at a few hundred locations in Germany for a complete fleet conversion. Locations with many charging points and a short distance between the single locations are particularly necessary along the long-distance corridors between the port regions of Belgium and the Netherlands and Poland or Austria. Due to the high amount of electricity of about 5 TWh per year recharged at public megawatt charging infrastructure in Germany with almost complete fleet conversion, the infrastructure costs significantly less than 0.1 €2020/kWh and thus has no relevant influence on the identified high cost advantage of battery electric trucks over diesel vehicles in the medium term. The analyses also show that only about 15% of the vehicles that are responsible for 30% of the mileage rely on public megawatt charging infrastructure. More than half of the nearly 35 TWh of total electricity demand after 2035 can be charged at private infrastructure with less than 44 kW of power. In the future, therefore, more consideration should be given to private slow charging infrastructure.