KI, die Kreative Intelligenz jetzt in der neuesten Folge SMART&nerdy! Podcastfolge #23.
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Thomas Grube, Edgar Jungblut, Forschungszentrum Jülich GmbH
Automatisierte Fahrzeuge beeinflussen den Energiebedarf auf unterschiedliche Weise. Lkw profitieren von einer gleichmäßigeren Fahrweise und reduzierter Geschwindigkeit: Eine durch den Wegfall der Lenkpausen und Ruhezeiten prinzipiell mögliche Senkung von 90 auf 70 km/h führt zu einem um rund 15 Prozent geringeren Energiebedarf. Bei Pkw hingegen steigt der Verbrauch durch die Zusatzleistung der Automatisierungssysteme. Im Stadtverkehr erhöht sich der Energiebedarf um bis zu 32 Prozent. Selbst eine reduzierte Höchstgeschwindigkeit von 30 km/h und optimierte Stopps können den Mehrverbrauch nicht ausgleichen. Dies könnte den Nutzen des automatisierten Fahrens stark einschränken.
Die nächtliche Autobahn zieht sich endlos dahin, und mit jedem Kilometer schwindet die Aufmerksamkeit. Doch solche monotonen Aufgabe könnten bald autonome Steuerungssysteme im Fahrzeug übernehmen. Die Fahrenden werden entlastet und die Fahrweise wird gleichmäßiger. Solche Technologien sollen den Energiebedarf senken, aber welche Faktoren bestimmen eigentlich den Energiebedarf automatisierter Fahrzeuge, und wo liegen die größten Herausforderungen?
Die Einführung von Technologien für automatisiertes Fahren wirft die Frage auf, wie sich diese Entwicklungen auf den Energiebedarf von Fahrzeugen auswirken. Dieser ist ein entscheidender Faktor sowohl aus wirtschaftlicher als auch aus ökologischer Sicht. Veränderungen ergeben sich in diesem Zusammenhang aufgrund angepasster Fahrprofile, etwa durch optimierte Geschwindigkeiten oder effizientere Fahrweisen.
Ein oft übersehener Faktor sind sogenannte Nebenverbraucher – elektrische oder mechanische Systeme, die nicht direkt zur Fortbewegung beitragen, aber dennoch Energie benötigen. Dazu zählen beispielsweise Klimaanlagen, Beleuchtungssysteme, elektrische Servolenkung oder Infotainment-Systeme. Besonders in automatisierten Fahrzeugen kommen leistungsstarke Sensoren und Recheneinheiten hinzu, die kontinuierlich Daten generieren und verarbeiten und somit zusätzlichen Stromverbrauch verursachen.
Bei Elektrofahrzeugen wird dieser Mehrbedarf aus der Batterie oder Brennstoffzelle gedeckt, während Verbrenner ihn durch eine höhere Motorleistung kompensieren müssen. Frühere Studien zeigen, dass der Energiebedarf dieser Nebenverbraucher insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten einen erheblichen Einfluss auf den Gesamtverbrauch haben kann [1]. Dennoch wurde dieser Aspekt bei automatisierten Fahrzeugen bislang oft vernachlässigt. In diesem Beitrag werden daher Simulationsergebnisse vorgestellt, die den Einfluss der Automatisierung auf den Energiebedarf von Pkw und Lkw deutlich machen.
Um den Einfluss der Fahrzeugautomation auf den Energiebedarf von Pkw und Lkw zu untersuchen, wurden verschiedene Fahrszenarien simuliert. Dabei wurden Standardfahrzyklen angepasst, um realistische Effekte des automatisierten Fahrens nachzubilden. Berücksichtigt wurden unter anderem eine vorausschauendere und gleichmäßigere Fahrweise sowie reduzierte Geschwindigkeiten – etwa für Lkw auf Autobahnen und Pkw im Stadverkehr.
Die untersuchten Szenarien lassen sich wie folgt zusammenfassen:
In der Literatur werden für Lkw bei einer reduzierten Höchstgeschwindigkeit von 70km/h anstelle von 90km/h potenzielle Vorteile diskutiert, falls automatisierte Fahrzeuge ohne reguläre Lenkpausen und Ruhezeiten betrieben werden. Dazu zählen insbesondere die Möglichkeiten, Lärmemissionen und Infrastrukturbelastung zu verringern [15].
Für Pkw werden allgemein reduzierte Lärmemissionen und Unfallrisiken sowie eine geringere Unfallschwere als mögliche Vorteile einer reduzierten Höchstgeschwindigkeit in Städten angeführt. Eine direkte Untersuchung dieser Effekte erfolgte in dieser Arbeit jedoch nicht.
Ein wesentlicher Aspekt bei automatisierten Fahrzeugen ist der zusätzliche Energiebedarf für die benötigten Sensoren und Rechenleistungen. Dieser wird in der Literatur sehr unterschiedlich bewertet, da sich die Technologie rasant weiterentwickelt. Während der Energiebedarf der Sensoren – insbesondere Radarsysteme, Kameras und Lidar – meist moderat ausfällt, ist der Verbrauch der Computer-Hardware deutlich höher.
Untersuchungen zeigen einen Gesamtleistungsbedarf zwischen 192 W und 3000 W, abhängig von der verwendeten Technologie und dem Redundanzgrad der Systeme [4, 5, 6, 7, 8, 9]. Für diese Analyse wurde ein Referenzwert von 1000 W angesetzt. Aufgrund der großen Schwankungen wurde zusätzlich für Pkw im Stadtverkehr eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, um die Auswirkungen eines reduzierten oder erhöhten Energiebedarfs besser einschätzen zu können.
Für die Verbrauchsanalyse wird ein längsdynamisches Fahrzeugmodell genutzt, das auf standardisierten Fahrzyklen basiert. Für jede Fahrsituation wird der mechanische Energiebedarf berechnet, indem verschiedene Widerstandskräfte berücksichtigt werden:
Steigungen der Fahrbahn bleiben in dieser Berechnung unberücksichtigt. Weitere technische Details dazu sind in der Studie von Jungblut et al. (2023) [2] beschrieben.
Neben dem Energiebedarf für den Antrieb werden auch antriebsunabhängige Verbraucher berücksichtigt – also Systeme, die nicht direkt für die Bewegung des Fahrzeugs erforderlich sind, aber dennoch Energie verbrauchen. Dazu gehören beispielsweise Klimaanlagen, Beleuchtung und die Steuerungselektronik. Zusätzlich wird der Energiebedarf des Automatisierungssystems, bestehend aus Sensoren und Recheneinheiten, einbezogen.
Da der Verbrauch von Pkw aufgrund der geringeren Antriebsleistung deutlich stärker auf Nebenverbraucher reagiert, wird der Energiebedarf des Automatisierungssystems für Pkw im Stadtverkehr variiert. Bei Lkw bleibt er hingegen konstant, da der zusätzliche Energiebedarf im Verhältnis zum Gesamtverbrauch weniger ins Gewicht fällt.
Die Analyse berücksichtigt spezifische Fahrzeugparameter für einen Mittelklasse-Pkw und einen Lkw der Nutzfahrzeugklasse N3 – das sind schwere Nutzfahrzeuge mit einem zulässigen Gesamtgewicht über 12 Tonnen.
Dabei spielen Fahrzeugmasse, Luft- und Rollwiderstand sowie die Querschnittsfläche eine wichtige Rolle, da sie den Energiebedarf maßgeblich beeinflussen. Der Pkw wiegt inklusive Passagiere 1624 kg, während der Lkw mit voller Nutzlast auf 24.734 kg kommt. Aufgrund seiner größeren Fläche und des höheren Luftwiderstandsbeiwerts benötigt der Lkw mehr Energie.
Für einen Lkw der Nutzfahrzeugklasse N3 wurde ein Energiebedarf für Nebenverbraucher von 8660 W angenommen [9]. Bei einem Mittelklasse-Pkw liegt dieser Wert deutlich niedriger, bei 600 W [12][13]. Der Zusatzenergiebedarf des Automatisierungssystems wird mit 1000 W angenommen.
Während der Einfluss dieser zusätzlichen Energieaufnahme beim Lkw aufgrund der hohen Grundlast gering ist, spielt sie beim Pkw eine bedeutendere Rolle und kann den Gesamtverbrauch spürbar erhöhen.
Der Gesamtenergiebedarf wird unter Berücksichtigung der Wirkungsgrade einzelner Komponenten berechnet. In dieser Studie werden zur Vereinfachung ausschließlich batterie-elektrische Fahrzeuge betrachtet, die Ergebnisse sind prinzipiell jedoch auf Fahrzeuge mit anderen Antriebsarten übertragbar. Es sind daher folgende Wirkungsgrade relevant:
Beim Bremsen wird, soweit möglich, Energie zurückgewonnen (Rekuperation). 80 Prozent der überschüssigen Bremsenergie werden rekuperiert. Wenn die zurückgewonnene Energie den Hilfsenergiebedarf übersteigt, wird sie in die Batterie zurückgespeist.
Die Ergebnisse der obigen Szenariodefinitionen für Pkw und Lkw vergleichen automatisiertes und nicht-automatisiertes Fahren sowie unterschiedliche Fahrzyklen und Zusatzleistungen einschließlich der Sensitivitätsanalysen. Welche Effekte hat die zusätzliche Rechenleistung der Automatisierung auf den Gesamtverbrauch? In welchen Szenarien überwiegt der Vorteil einer optimierten Fahrweise, und wo wird der Mehrverbrauch zum entscheidenden Faktor?
Ein nicht-automatisierter Pkw verbraucht laut den Berechnungen auf der Autobahn 20,4 kWhel/100km. Durch den Zusatzbedarf von 1000 W steigt dieser Wert bei einem automatisierten Fahrzeug um 4,7 Prozent. Wenn eine gleichmäßigere Fahrweise berücksichtigt wird, kann dieser Mehrverbrauch jedoch ausgeglichen werden, wodurch der Gesamtverbrauch um 1,0 Prozent sinkt.
Im Stadtverkehr liegt der Verbrauch eines nicht-automatisierten Pkw bei 14,5 kWhel/100km. Da die Fahrgeschwindigkeit niedriger ist, fällt der Energiebedarf für Nebenverbraucher bei einem konstanten Leistungsbedarf stärker ins Gewicht. Der automatisierte Pkw benötigt bei einem angenommenen Leistungbedarf von 1000 W 32,4 Prozent mehr Energie als sein nicht-automatisiertes Pendant. Selbst wenn Fahrgeschwindigkeit und Stopps optimiert werden, bleibt der Verbrauch immer noch 17,2 Prozent höher. Wird in der Sensitivitätsanalyse die obere Grenze von 3000W für den Leistungsbedarf des Automatisierungssystems angenommen, steigt der Gesamtverbrauch im Stadtverkehr um 69,2 Prozent im Vergleich zu einem nicht-automatisierten Pkw. Der Nebenenergiebedarf übertrifft hier sogar den eigentlichen mechanischen Energiebedarf um 80 Prozent. Umgekehrt führt ein Zusatzbedarf von 200 W dazu, dass der Gesamtverbrauch um 21,2 Percent unter dem Wert eines nicht-automatisierten Pkw liegt – die positiven Effekte des optimierten Fahrverhaltens überwiegen in diesem Fall den Mehrverbrauch durch das Automatisierungssystem.
Ein nicht-automatisierter Lkw hat im Autobahnverkehr einen Energiebedarf von 122,6 kWhel/100km, der hauptsächlich durch den mechanischen Energiebedarf bestimmt wird. Für den automatisierten Lkw steigt der Gesamtverbrauch durch den zusätzlichen Leistungsbedarf von 1000 W zunächst um 1,0 Prozent. Dieser Mehrbedarf kann jedoch durch eine gleichmäßigere Fahrweise ausgeglichen werden, sodass insgesamt eine Einsparung von 4,1 Prozent erreicht wird. Eine Reduzierung der Geschwindigkeit von 90 km/h auf 70 km/h senkt den Verbrauch um rund 15 Prozent.
Automatisierte Lkw profitieren von angepassten Fahrstrategien, insbesondere durch eine Reduzierung der Höchstgeschwindigkeit von 90 auf 70 km/h, was den Energiebedarf auf Autobahnen deutlich senkt. Zu bedenken ist, dass eine verringerte Geschwindigkeit für nicht-automatisierte Lkw nicht in Frage kommt, da die Betriebskosten und der Fahrerbedarf dadurch steigen würden. Da der Zusatzverbrauch durch Sensoren und Rechenleistung im Verhältnis zum Gesamtverbrauch gering ist, bleibt der Effizienzvorteil erhalten. Bei Pkw ist die Situation anders: Eine Reduzierung der Höchstgeschwindigkeit im Stadtverkehr senkt zwar den Antriebsenergiebedarf, doch der hohe Zusatzverbrauch der Automatisierungstechnik übersteigt diesen Vorteil oft. Selbst optimierte Fahrprofile und weniger Stopps reichen nicht aus, um den Mehrverbrauch auszugleichen. Eine deutliche Verringerung des Strombedarfs für Rechenleistung und Sensorik ist damit essentiell, um bei automatisierten Pkw die Verbrauchsvorteile des automatisierten Fahrens umzusetzen.
Automatisierte Lkw profitieren von gleichmäßigerer Fahrweise, während der hohe Energiebedarf für Sensoren und Computersysteme Pkw vor Herausforderungen stellt – besonders im Stadtverkehr. Die Effizienz dieser Systeme bestimmt damit deren Zukunftsfähigkeit.
