Modellgestützte Bewertung des Einsatzes von alternativen Antrieben für Flotten von mobilen Maschinen am Beispiel erdgasbetriebener Terminaltraktoren
Die vorliegende Dissertation beinhaltet die Entwicklung und die Anwendung einer modellgestützten Methode zur Bewertung des Einsatzes von alternativen Antrieben für Flotten von mobilen Maschinen. Damit wird eine effiziente und kostengünstige Möglichkeit geschaffen, um den mehrheitlich dieselbetriebenen Einsatz von Flotten von mobilen Maschinen einem Betrieb mit p unterschiedlichen alternativen Antrieben gegenüberzustellen. Die Bewertungsmethode beinhaltet die drei Module eines Feldversuchs, einer Modellbildung und eines simulationsgestützten Flottenversuchs. Jedes dieser Module umfasst eine kausale Abfolge von Prozessschritten, die sowohl modulinterne als auch -externe Abhängigkeiten aufweisen können. In dem Modul des Feldversuchs wird für jede der p zu untersuchenden Antriebsstrangkonfigurationen ein Referenzfahrzeug in die bestehende Flotte integriert und im Betriebsalltag erprobt. Während des Feldversuchs werden im Betriebsalltag der Flotte zwei Datenbanken mit unterschiedlichen Informationen aus geeigneten Datenquellen erhoben. Die erste Datenbank beinhaltet Informationen über das Betriebsverhalten der p Referenzfahrzeuge. In der zweiten Datenbank werden Informationen über den Betriebsalltag der übrigen Flotte zusammengefasst. Die Datenbank über das Betriebsverhalten der p Antriebsstrangkonfigurationen wird für das Modul der Modellbildung herangezogen, um ein Simulationswerkzeug zur flottenweiten Prädiktion zu entwickeln. Dieses Simulationswerkzeug wird mit der Datenbank der übrigen Flotte für den simulationsgestützten Flottenversuch verwendet, wobei die Bewertung des Flottenbetriebs anhand simulationsgestützt berechneter Bewertungskriterien erfolgt.
Um die Machbarkeit der modellgestützten Bewertungsmethode zu untersuchen, wird diese im Zuge dieser Arbeit an dem Anwendungsfall eines flottenweiten Betriebs von Terminaltraktoren mit Diesel und Erdgas erprobt. Die einzelnen Prozessschritte der genannten Module werden daher für p=2 Antriebsstrangkonfigurationen durchgeführt und erläutert. Dabei wird u. a. eine Kombination aus theoretischer und experimenteller Modellbildung angewandt, um den Kraftstoffbedarf und den Ausstoß von Treibhausgasen für den Flottenbetrieb mit den p=2 Antriebsstrangkonfigurationen abzuschätzen.
Die Ergebnisse der modellgestützten Bewertungsmethode für den konkreten Anwendungsfall demonstrieren, dass Erdgas aus ökologischer Sicht das Potenzial besitzt, den Ausstoß von Treibhausgasen einer Flotte von Terminaltraktoren gegenüber deren Dieselbetrieb zu reduzieren. Dabei ist jedoch eine auf den Anwendungsfall zugeschnittene Auswahl eines erdgasbetriebenen Terminaltraktors wesentlich, da ansonsten höhere Treibhausgasemissionen als im Dieselbetrieb der Flotte auftreten können. Aus ökonomischer Sicht ist die Wirtschaftlichkeit eines Erdgasbetriebs einer Flotte von Terminaltraktoren in erster Linie von der betrieblichen Auslastung, der geplanten Einsatzdauer sowie der zukünftigen Preisentwicklung der Kraftstoffe abhängig.
This dissertation involves the development and application of a model-based method for evaluating the use of alternative drives for fleets of mobile machinery. This provides an efficient and cost-effective way to compare the majority diesel-powered use of fleets of mobile machinery to operation with p different alternative drives. The evaluation method includes the three modules of field test, modelling and simulation-based fleet test. Each of these modules comprises a causal sequence of process steps that can have both internal and external dependencies. In the module of field test, a reference vehicle is integrated into the existing fleet for each of the p powertrain configurations to be investigated and tested in everyday operation. During the field test, two databases with different information from suitable data sources are collected in the everyday operation of the fleet. The first database contains information about the operational behaviour of the p reference vehicles. The second database summarises information about the daily operational behaviour of the rest of the fleet. The database on the operational behaviour of the p powertrain configurations is used for the module of modelling to develop a simulation tool for fleet-wide prediction. This simulation tool will be used with the database of the rest of the fleet for the simulation-based fleet test, where the evaluation of the fleet operation will be based on simulation-based calculated evaluation criteria.
In order to investigate the feasibility of the model-based evaluation method, it is tested in the course of this work on the application case of a fleet-wide operation of terminal tractors with diesel and natural gas. The individual process steps of the modules mentioned are therefore carried out and explained for p=2 powertrain configurations. Among other things, a combination of theoretical and experimental modelling is applied to estimate fuel demand and greenhouse gas emissions for fleet operation with the p=2 powertrain configurations.
The results of the model-based evaluation method for the specific application demonstrate that natural gas has the potential to reduce the greenhouse gas emissions of a fleet of terminal tractors compared to their diesel operation from an ecological point of view. However, the selection of a natural gas-powered terminal tractor tailored to the application is essential, as otherwise higher greenhouse gas emissions may occur than in diesel operation of the fleet. From an economic point of view, the cost-effectiveness of natural gas operation of a fleet of terminal tractors depends primarily on the operational utilisation, the planned duration of use and the future price development of fuels.