Vrachtwagen met pantograaf
vanaf RWTH Aken
Innovatief onderzoeksproject van de RWTH Aachen University
De PEM van de RWTH Aachen University ontwikkelt geëlektrificeerde vrachtwagens met pantografen en Webasto-componenten om de CO2-uitstoot op de wegen wereldwijd duurzaam te verminderen. Het wegvervoer is ook cruciaal voor een aanzienlijke en duurzame vermindering van de CO2-uitstoot in de keerpunt. Vrachtwagens zijn verantwoordelijk voor ongeveer tien procent van de wereldwijde CO2-uitstoot. Tegelijkertijd zijn ze moeilijk te elektrificeren vanwege hun hoge energiebehoefte en de lange afstanden die ze moeten afleggen.
Een poging om hier verandering in te brengen en een concurrerende oplossing voor het goederenvervoer te vinden, wordt uitgevoerd door de leerstoel Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) aan de RWTH Aachen University, die juist op dit gebied onderzoek doet. In het kader van het LiVePLuS-project ontwikkelden de stoelspecialisten een elektrische aandrijflijn met pantograaf en batterij en implementeerden deze in een eerste prototype met de steun van Webasto, systeempartner voor elektromobiliteit.
De PEM-leerstoel van de RWTH – een van de excellente universiteiten in Duitsland en topuniversiteiten wereldwijd – werd opgericht in 2014 en bestudeert de kerncomponenten van elektromobiliteit. Vier onderzoeksgroepen richten zich op de batterij als een van de kerncomponenten van de elektrische aandrijflijn in de hele waardeketen. "Ons doel is om nieuwe manieren te ontwikkelen om actief CO2-uitstoot te besparen. Het wegverkeer is verantwoordelijk voor een groot percentage van de uitstoot.
Als we beter kijken, zien we dat het vooral de zware bedrijfsvoertuigen zijn waarvan de elektrificatie een aanzienlijke impact zou hebben op de CO2-reductie. Dus voor maximale efficiëntie en de grootst mogelijke impact is dit precies het gebied waar we ons in onze onderzoeksprojecten op willen richten", legt Konstantin Sasse, teamleider Battery Engineering & Safety bij PEM, uit.
Webasto-referentieverhalen - RWTH Aachen Truck Pantograaf
Ommekeer in het verkeer mogelijk maken
Het hoofddoel: aanpasbare modules van aandrijflijnbouwstenen ontwikkelen die individueel kunnen worden aangepast aan het toepassingsgebied. En zo werd in september 2017 het LiVe-project gelanceerd dat in eerste instantie verschillende technologieën bestudeerde, zoals de brandstofcel of pantograaf – een uitklapbare stroomcollector die op het voertuig is gemonteerd – op basis van het batterij-elektrische voertuig. Op basis daarvan werd vervolgens in februari 2020 het project LiVePLuS in het leven geroepen en richtte zich op zware vrachtwagens met batterij en pantograaf.
Om de onderzoeksresultaten te valideren en de geschiktheid van opleggers met pantografen aan te tonen, moest ook een vrachtwagen achteraf als prototype worden omgebouwd. Deze bestaat klassiek uit een elektromotor en een tractiebatterij waaraan de stroomafnemer is toegevoegd als interface naar een bovenleidingsysteem. Een sensorsysteem detecteert of het voertuig op een rijstrook met bovenleiding rijdt en de stroomafnemer van de vrachtwagen uitschuift en koppelt aan de bovenleiding. Deze voorziet de elektromotor van stroom en laadt tegelijkertijd de accu op.
Beide projecten worden gesponsord door VDI/VDE Innovation + Technik GmbH en worden gefinancierd door het Duitse federale ministerie van Milieu, Natuurbehoud, Nucleaire Veiligheid en Consumentenbescherming (BMUV). "De technologie met pantografen is bijzonder interessant omdat de infrastructuur ervoor vrij snel kan worden geïmplementeerd – hier kan hier al veel worden bereikt tegen 2030. Studies hebben aangetoond dat door het gebruik van bovengrondse vrachtwagens tegen 2030 ongeveer 50 procent van de CO2-uitstoot kan worden verminderd in vergelijking met conventionele vrachtwagens. Als men deze berekening verder doortrekt en de bovenleidingsystemen uitsluitend met hernieuwbare energiebronnen laat werken, zou de pure werking van deze vrachtwagens nu al CO2-neutraal zijn", zegt Simon Dünnwald, teamleider E-Mobility Production Engineering van PEM.
De energie die door stroomafnemers wordt geleverd, is niet alleen zeer efficiënt vanwege het hoge algehele rendement, maar er zijn ook maar weinig nadelen in vergelijking met conventionele vrachtwagens. De impact op de infrastructuur is eveneens gering: rijstroken met bovenleiding kunnen ook onbeperkt door andere verkeersdeelnemers worden gebruikt. Dergelijke bovenleidingen zijn momenteel al geïnstalleerd op segmenten van de autosnelwegen A1 en A9 als testroutes. "Simulaties en studies tonen aan dat het achteraf uitrusten van ongeveer 30 procent van het Duitse autosnelwegennet – zo'n 3.200 tot 4.000 kilometer – met bovenleidingsystemen voldoende is om 80 procent van de zware vrachtwagens te elektrificeren. We hebben hier dus een enorm potentieel", zegt Dünnwald.
Componenten en eersteklas ondersteuning van Webasto
Aangezien er momenteel geen volledig elektrische stroomafnemers op de Duitse wegen rijden en de technologie dus zeer nieuw is, kon de onderzoeksgroep geen gebruik maken van een reeds bedrijfsklaar systeem en moest in plaats daarvan innovatieve oplossingen vinden. Ook de levering van de componenten bleek een uitdaging. "Voor ons onderzoeksproject bouwen we prototypes in navenant kleine hoeveelheden. Dit is voor veel leveranciers niet aantrekkelijk genoeg. Ook de technische beschikbaarheid en levertijden van de afzonderlijke componenten moesten passend zijn.
Op het toepassingsgebied van zware bedrijfsvoertuigen zijn reeds enkele marktdeelnemers uitgesloten. En natuurlijk hadden we een aantal eisen met betrekking tot de componenten. In plaats van prototypebatterijen wilden we bijvoorbeeld batterijen installeren die gecertificeerd zijn voor serieproductie en die compatibel zijn met de rest van de hoogspanningsvoeding aan boord", legt Sasse uit. Omdat de ruimte in de vrachtwagen beperkt is, moest ook de grootte van de accu's passend zijn. Na intensief marktonderzoek en diepgaand onderzoek viel de keuze uiteindelijk op Webasto's standaardaccu voor bedrijfswagens.
Het bedrijf was niet alleen in staat om op korte termijn de benodigde componenten te leveren, maar bood ook actieve ondersteuning met zijn vakkennis. "We hebben nauw van gedachten gewisseld met Webasto en hebben direct contact met alle afdelingen. Het ontwikkelen van een prototype betekent altijd dat er heel specifieke vragen naar boven komen waarvoor we de mening van experts nodig hebben. We werkten zeer nauw samen met Webasto, kregen snel feedback, ontvingen alle relevante gegevens en kregen zelfs ondersteuning bij de inbedrijfstelling van de afzonderlijke componenten ter plaatse", legt Sasse uit.
Naast het accusysteem van Webasto werd ook de Vehicle Interface Gateway (VIG) aan de productzijde gebruikt. Het is zeer compact en dient als interface tussen voertuig en accu's en maakt de aansturing van maximaal 16 accu's mogelijk. De onderzoeksgroep ontwikkelde op basis van de VIG de zogenaamde Power Distribution Unit (PDU). Deze individuele compacte eenheid bevat alle hoofdaansluitingen voor accu, stroomafnemer en motor, evenals de benodigde distributie- en andere functies.
Van theorie naar praktijk
Na talrijke tests, zoals de individuele inbedrijfstelling van de componenten en de inbedrijfstelling van het totale systeem in ongebouwde toestand, moet de echte testrun van het prototype plaatsvinden. Het voertuig heeft al verschillende tests ondergaan op de RWTH-testbaan. Als volgende stap zal de stroomafnemer op een andere testbaan worden getest om te zien of het proces van aanmeren aan de bovenleiding soepel verloopt.
Daarna zal het prototype in het openbaar verkeer worden gebruikt, zodat de onderzoeksgroep uitgebreide metingen kan uitvoeren. "Het doel is om het systeem verder te optimaliseren en een hogere mate van volwassenheid te bereiken. We willen een punt bereiken waarop de bouwsteen van de module-aandrijflijn niet alleen volledig is ontwikkeld, maar ook van echt economisch belang is. Tenzij de kosten juist zijn, zal het systeem niet worden gebruikt. Maar we zijn hier uitstekend op weg. Het project heeft ook een grote maatschappelijke relevantie:
We hebben al veel grote toeleveringsbedrijven bezocht die enthousiast waren na het zien van het prototype. We zijn benieuwd wat de toekomst voor ons project in petto heeft, maar zijn best trots op wat we al hebben bereikt. En met Webasto hebben we een partner gevonden die ons uitgebreide ondersteuning biedt en met ons samenwerkt om het goederenvervoer koolstofvrij te maken", zegt Dünnwald tot slot. En ook Webasto is enthousiast over de samenwerking. "We zijn er trots op partner te zijn in zo'n innovatief project met het potentieel om de CO2-uitstoot in het wegtransport enorm te verminderen. We kijken ernaar uit om het project in de toekomst verder te ondersteunen en zullen op elk moment graag producten en theoretische input leveren", voegt Michael Bauer, Vice President Business Line Energy Management bij Webasto, toe.
