Techno-economic optimization and environmental evaluation of electric vehicles in commercial fleets

Die Einführung von batterieelektrischen Fahrzeugen (E-Pkw) gilt als eine wichtige Maßnahme zur Emissionsverringerung im Straßenverkehr. Gewerbliche Flotten in Deutschland bilden hierfür einen vielversprechenden Markt. Um dieses Potential zu realisieren, ist sowohl eine techno-ökonomische Optimierung als auch eine ökologische Bewertung über den Lebenszyklus erforderlich. Das Ziel der Dissertation ist es, hierfür ein methodisches Rahmenwerk zu liefern.

Die kumulative Dissertation besteht aus fünf Artikeln, die sich den einzelnen Bestandteilen des Rahmenwerks widmen und großteils auf Technologie- und Nutzungsdaten aus eigenen Messungen aufbauen. ... mehrDer erste Artikel, Schücking et al. (2016) [Paper I], ist eine technische Analyse. Sie untersucht den realen Energieverbrauch von E-Pkws im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen und identifiziert optimale Betriebspunkte. Die Ergebnisse heben den Einfluss verschiedener Faktoren auf den Energieverbrauch als wichtige Komponente detaillierter techno-ökonomischer und ökologischer Betrachtungen hervor. Der zweite und der dritte Artikel haben einen techno-ökonomischen Fokus. Sie beschäftigen sich mit der Frage, wie E-Pkws einen schnelleren wirtschaftlichen Break-even im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen erreichen können. Der zweite Artikel, Schücking et al. (2017) [Paper II], stellt Ladestrategien vor, welche eine höhere Auslastung der E-Pkw ermöglichen und damit zu geringen Gesamtkosten im Vergleich zu konventionellen Pkw führen können. Unsicherheiten in Fahrprofilen und Energieverbrauch begrenzen die Anwendbarkeit dieser Strategien. Der dritte Artikel, Schücking & Jochem (2020) [Paper III], knüpft hieran an. Er schlägt ein zweistufiges stochastisches Optimierungsmodell zur Minimierung der Investition und Betriebskosten eines E-Pkw unter Berücksichtigung dieser Unsicherheiten vor. Neben der stochastischen Betrachtung ist auch die Abwägung zwischen Batteriekapazität und Ladeleistung in der Investitionsentscheidung ein neuer Beitrag zur Forschung. Im Kontext der stochastischen Optimierung werden ein Hidden Markov Modell zur Generierung komplexer Fahrprofile und eine neue Szenario-Reduktionsheuristik als methodische Weiterentwicklungen angewandt. Artikel vier und fünf liefern eine ökologische Bewertung. Die empirischen Daten sowie der Fokus auf den deutsch-französischen Grenzverkehr zeichnen beide Artikel aus. Der vierte Artikel, Ensslen et al. (2017) [Paper IV], konzentriert sich auf die E-Pkw Nutzungsphase. Er verdeutlicht den Einfluss unterschiedlicher Strommixe und Ladezeitpunkte auf die CO2- Emissionen und Reduktionspotentiale. Der fünfte Artikel, Held & Schücking (2019) [Paper V], betrachtet verschiedene ökologische Wirkungskategorien (wie z.B. Klimawandel, Versauerung Eutrophierung) über den gesamten Lebenszyklus mittels eines modularen Screening-Modells. Die Ergebnisse unterstreichen den Einfluss der Batterie und der Nutzungsphase auf die ökologische Gesamtbilanz. Dem übergreifenden Forschungsziel folgend, zeigen die Ergebnisse der einzelnen Artikel in ihrer Kombination, dass die Optimierung des wirtschaftlichen Nutzens auch die ökologischen Vorteile erhöhen kann. Die ex-ante Ermittlung der optimalen Batteriekapazität sowie ein hoher Betriebsgrad erhöhen nicht nur die Wettbewerbsfähigkeit von E-Pkw, sondern beschleunigen unter bestimmten Voraussetzungen auch den ökologischen Break-even in einem Großteil der betrachteten Wirkungskategorien. Die Eigenschaften, die gewerbliche Anwendungen aus wirtschaftlicher Sicht zu einem vielversprechenden Einführungsmarkt für E-Pkws machen, können damit auch die angestrebten ökologischen Vorteile unterstützen.

The introduction of battery electric vehicles (BEVs) is considered an important measure to reduce emissions from road transport. The commercial vehicle market in Germany forms a promising introductory market. However, the widespread substitution of internal combustion engine vehicles (ICEVs) by BEVs is still hindered by technical restrictions and higher investment. Under the goal of a rapid BEV introduction ramp-up to support emission reduction targets, the techno-economic optimization of BEV investment and operations becomes strongly intertwined with the environmental evaluation. ... mehrThe aim of this thesis is to provide a methodological framework, which helps to identify essential conditions, prerequisites, and measures required for a joint economic and environmentally beneficial deployment of BEVs in commercial applications.

This thesis consists of five papers, which introduce individual components of the framework and are largely based on technology and usage data from own measurements. The first paper, Schücking et al. (2016) [Paper I], is a technical analysis. It examines the real energy consumption of BEVs compared to internal combustion engine vehicles (ICEVs) and identifies optimal operating points. The results highlight the influence of various factors on energy consumption, which is a key input for a detailed techno-economic optimization and environmental evaluation. The second and third paper have a techno-economic focus. They deal with the question of how BEVs can achieve a faster economic break-even compared to ICEVs. The second paper, Schücking et al. (2017) [Paper II], presents charging strategies that allow a higher utilization of the BEVs and thus can lead to lower total costs compared to ICEVs. Uncertainties in mobility patterns and energy consumption limit the applicability of these strategies. The third paper, Schücking & Jochem (2020) [Paper III], follows up on this. Taking these uncertainties into account, the paper proposes a two-stage stochastic optimization model to jointly minimize the investment and operating costs of a BEV. In addition to the stochastic approach, the inclusion of the trade-off between battery and charging capacity in the investment decision is a new contribution to the research. In the context of stochastic optimization, a hidden Markov model for the generation of complex driving profiles and a new scenario reduction heuristic are applied as methodological enhancements. The fourth and fifth paper provide the environmental evaluation. The empirical utilization data as well as the emphasis on Franco-German border traffic characterize both papers. The fourth paper, Ensslen et al. (2017) [Paper IV], focuses on the utilization phase. It highlights the influence of different electricity mixes and charging times on carbon dioxide (CO2) emissions and reduction potentials. The fifth paper, Held & Schücking (2019) [Paper V], assesses several environmental impact categories (e.g. global warming potential, acidification potential, and eutrophication potential) over the entire life cycle using a simplified modular screening model. The results underline the strong influence of the battery and the utilization phase on the overall environmental impact. In line with the overarching research objective, the results of the individual papers combined indicate that the optimization of the economic benefit can also increase the environmental benefits. The ex-ante determination of the optimal battery and charging capacity as well as a high degree of operation not only increase the competitiveness of BEVs, but under certain conditions can also accelerate breaking-even in several environmental impact categories. The characteristics that make commercial applications from an economic point of view a promising introduction market for BEVs can thus also support the achievement of the desired ecological benefits.