Assessing the techno-economic feasibility of battery-electric trucks in Europe: A model-based analysis of lithium-ion batteries and public charging infrastructure

Die Dekarbonisierung des schweren Straßengüterverkehrs in Europa erfordert einen schnellen Hochlauf emissionsfreier Lkw, wobei batterieelektrische Lkw (E-Lkw) derzeit als vielversprechendste Option gelten. Dennoch bestehen bei Flottenbetreibern weiterhin Zweifel an der Elektrifizierbarkeit aufgrund individueller Einsatzcharakteristika, und die ausgeprägte Heterogenität des europäischen Lkw-Markts erschwert allgemeingültige Aussagen. Diese Dissertation adressiert diese Herausforderungen mithilfe eines simulationsbasierten Ansatzes zur Bewertung der techno-ökonomischen Machbarkeit von E-Lkw in Europa zwischen 2025 und 2030.
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Zu diesem Zweck wurden fünf sequenzielle Simulationsmodelle auf Basis umfangreicher Realdaten entwickelt. Den Ausgangspunkt bildet eine neuartige, wahrscheinlichkeitsbasierte Simulation von Fahrprofilen, welche detaillierte mehrjährige Einsatzpläne von Lkw generiert. Eine Energiesimulation ergänzt darauf aufbauend tourenspezifische Energiebedarfe, während eine Batteriesimulation das elektrische Verhalten und Alterungseffekte abbildet. Die technische Machbarkeit wird durch geeignete Batteriedimensionierung und Zwischenladen gewährleistet und für mehrere Ladeszenarien bewertet. Abschließend wird die Wirtschaftlichkeit von E-Lkw anhand von länderspezifischen Gesamtbetriebskosten in mehreren Szenarien ermittelt und gegenüber Diesel-Lkw bewertet. Weiterhin identifiziert ein Infrastrukturmodel mögliche reale Standorte für öffentliche Ladeinfrastruktur entlang des europäischen TEN-T Straßennetzes.

Die Ergebnisse zeigen, dass die vielfältigen Einsatzmuster von Lkw in Europa sowie wenige Extremeinsätze die technische Machbarkeit von E-Lkw stark einschränken können. Länderspezifische Faktoren wie Mautgebühren und das Kostenverhältnis von Strom zu Diesel wirken im Besonderen auf die Wirtschaftlichkeit ein. Ein Kostenvorteil gegenüber Diesel-Lkw ist bereits heute in einzelnen Ländern möglich und bis 2030 in den meisten Fällen wahrscheinlich. Bei einem strikten 1:1 Ersatz von Diesel-Lkw wird die technische Machbarkeit von E-Lkw vermutlich auch weiterhin eingeschränkt bleiben. Allerdings können nahezu alle Einsatzpläne bereits heute elektrifiziert werden, insofern geringfügige Anpassungen zugelassen und die richtige Kombination aus Ladestrategie und Batteriegröße (500-700 kWh) gewählt wird. Dabei stellt LFP die vielversprechendste Batteriechemie dar, während nickelreiche Batteriechemien wie NMC oder NCA vor allem in der frühen Marktphase, für Schwertransporte, bei eingeschränkter Ladeinfrastruktur und für besonders flexible Einsatzszenarien vorteilhaft sind.

Decarbonizing road freight transport in Europe requires a rapid shift to zero-emission trucks, with battery-electric trucks (BET) as the most promising solution. However, fleet operators remain uncertain about their suitability for their individual operating patterns, and the heterogeneity of the truck market limits generalized conclusions of existing studies. This dissertation addresses this challenge and evaluates the techno-economic feasibility of BETs using five consecutive simulation models, focusing on the European truck market between 2025 and the early 2030s.

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A novel probabilistic driving profile model generates detailed truck operating schedules based on extensive real-world datasets, which are complemented by a truck energy simulation to determine trip-specific energy requirements, and a battery simulation to complement electrical behavior, aging, and sizing. Moreover, total cost of ownership (TCO) calculations compare the profitability of BETs versus diesel trucks per schedule and using different scenarios, while a scenario-based model for charging infrastructure complements associated charging costs, identifies suitable public locations, and quantifies the impact of different charging strategies on overall feasibility.

The results indicate that the wide range of operational patterns in Europe and a few extreme operations per schedule complicate technical feasibility. Country-specific factors, such as toll rates and differential costs of diesel and electricity, further impact profitability. While BETs are already cost-competitive in some countries, they are expected to outperform their diesel counterparts in most use cases by 2030. When replacing diesel trucks one by one, the technical feasibility of BETs will remain limited. However, almost all schedules can be electrified by allowing minor schedule adjustments and combining the right charging strategy and battery choice, with 500-700 kWh needed the most. LFP batteries seem the most promising technology, complemented by NMC or NCA batteries, with the latter more favorable in the early market stages, for heavily loaded applications, if charging infrastructure is limited, or if truck owners continue striving for oversized batteries to increase flexibility.