Optimierung einer induktiven Energieversorgungsinfrastruktur für den urbanen Straßenverkehr

Kurczveil, Tamás

Mit sinkenden fossilen Energiereserven und weltweit steigendem Mobilitätsbedarf steht unserer Gesellschaft auf lange Sicht die Abkehr von fossilen Energieträgern bevor. Die Energiedichte von alternativen Energieträgern liegt deutlich unter der von Erdöl. Bei deren Anwendung muss berücksichtigt werden, dass das vollständige Betanken von Straßenfahrzeugen viel länger dauert und die übertragene Energiemenge für deutlich kürzere Distanzen reicht, als man es von heutigen Fahrzeugen gewohnt ist, die mit fossilen Kraftstoffen betrieben werden. Zur Aufrechterhaltung der Mobilität und schnellen Nutzerakzeptanz müssen die Folgen dieser Umstellung untersucht sowie Anforderungen und Maßnahmen abgeleitet werden, um die Einschränkungen des Verkehrsbetriebs zu minimieren. Diese Arbeit widmet sich der Fragestellung, wie viel Energie der Straßenverkehrsbetrieb erfordert und welchen Anforderungen die Energieübertragung genügen muss, damit künftige Ladeprozesse ohne Einschränkungen für Teilnehmer in den Verkehr integriert werden können. Als Grundlage für die Verkehrsbetrachtungen dienen mikroskopisch simulierte Verkehrsszenarien, deren Modelle mit Verkehrs- und Fahrzeugmessdaten kalibriert werden. Darüber hinaus wird ein zeitdiskretes Modell für die Berechnung des Fahrzeugenergiebedarfs vorgestellt und in ein mikroskopisches Verkehrssimulationswerkzeug implementiert. Die Simulationsdaten münden anschließend in einem linearen Programm, welches unter Berücksichtigung der Ladeleistung und weiteren betrieblichen Randbedingungen mit geeigneten Methoden die Anordnung der Ladestellen optimiert. Abschließend wird das vorgestellte Verfahren beispielhaft an der zu optimierenden Verortung der Komponenten einer induktiven Energieversorgungsinfrastruktur präsentiert. Die Anordnung einer neu in Betrieb zu nehmenden Infrastruktur wird auf den vorherrschenden Verkehr ausgelegt und optimiert. Trotz deutlich geringerer Fahrzeugreichweiten und Übertragungsleistungen als mit heutigen Fahrzeugen müssen Fahrer nach der erfolgten infrastrukturellen Optimierung bei ihrer Routenwahl keine dedizierten Halte für die Energieübertrag berücksichtigen. Städteplanern sowie Infrastruktur- und Flottenbetreibern wird damit erstmals ein Werkzeug und ein Verfahren zur Verfügung gestellt, mit dem vorherrschende oder zukünftige Szenarien hinsichtlich Verkehrsaufkommen und Energiebereitstellung integriert analysiert werden können.

Diminishing crude oil supplies will inevitabely require the development and application of alternatives that fuel the globally increasing demand for mobility. Since the energy density of alternative energy carriers is very low compared to crude oil, the migration will be accompanied with drawbacks in user comfort like that of fully charging a vehicle in less than two minutes or of travelling distances of several hundred kilometers with a single charge. For the quick acceptance of new concepts, to maintain the current level of mobility, and to minimize the limitations on traffic operation, the consequences of using alternative energy carriers in road vehicles will have to be evaluated as well as requirements be formulated and measures be developed. This thesis deals with the amount of energy that road traffic requires and with the requirements for the energy transfer in order to integrate charging processes into traffic operation with minimum limitations. The focus lies on urban traffic, which accounts for the majority of the global traffic volume. Microscopic traffic simulations build the basis for the traffic analyses that are calibrated with traffic and vehicle measurement data. A time-discrete model will be presented and implemented in a traffic simulation tool that allows the calculation of the energy demand in simulated vehicles. A linear program will be developed that uses the simulation results and optimizes the charging station locations in consideration of the charging power and other operational boundaries. The presented technique is applied in a final step to determine the optimal arrangement of a charging infrastructure to adequately supply road traffic vehicles. The novelty of this work lies in the fact that the optimal placement of charging stations allows the integration of charging processes into traffic operation. The arrangement of the charging infrastructure is designed and optimized for prevailing traffic. It will be shown that vehicles with even lower driving ranges than today's vehicles will not require dedicated charging halts along their routes that interrupt their operations. City planners as well as infrastructure and fleet operators will further be provided with a tool and a method that allows the integrated analysis of future scenarios in regard of traffic volume and energy supply.

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Kurczveil, Tamás: Optimierung einer induktiven Energieversorgungsinfrastruktur für den urbanen Straßenverkehr. 2017.

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