Projekt 24592/01

Optimierung des unterirdischen Stückguttransportsystems CargoCap zur Gewährleistung eines energieeffizienten Betriebes

Projektträger

S & P Consult GmbH
Konrad-Zuse-Str. 6
44801 Bochum
Telefon: 0234-5167-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das zunehmend steigende Verkehrsaufkommen führt besonders in Ballungsräumen bereits heute zu starken Beeinträchtigungen der Umwelt und der Bevölkerung. Darüber hinaus stößt vor allem der Straßengüterverkehr, der aufgrund seiner Flexibilität den größten Anteil am Güterverkehr übernimmt, staubedingt an seine Leistungsgrenzen. Die hohen Lärm- und Schadstoffemissionen, die in Zukunft auch Fahrverbote nach sich ziehen können, die Staubelastung und der zunehmend kostspielige Ausbau der vorhandenen Verkehrswege resultieren in ökonomischen und ökologischen Schäden und Restriktionen, die die Lebensqualität im Ballungsraum beeinflussen und den Industriestandort schwächen. CargoCap stellt als 5. Transportalternative als Ergänzung zu Straße, Schiene, Wasser und Luft ein neues, hoch innovatives Verkehrssystem dar, das insbesondere in Ballungsräumen seine Vorteile ausspielen kann. Die Beförderung der palettierten Güter erfolgt in unterirdischen Fahrrohrleitungen, durch schienengebundene, automatisch gesteuerte Fahrzeuge, die individuell angetrieben vom Versender direkt zum Empfänger fahren. Da der Betrieb von CargoCap unterirdisch und elektrisch erfolgt, weist das Transportsystem keine Lärmbelastung und vergleichsweise nur sehr geringe Schadstoffemissionen auf. Ziel des Projektes war es, den Betrieb des CargoCap-Systems, in dem die Transportfahrzeuge abstandsgeregelt in Fahrverbänden fahren, bereits in der frühen Entwicklungsphase hinsichtlich des Energiebedarfs zu optimieren.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie zentralen Schwerpunkte des Forschungsvorhabens waren zum einen die Untersuchung des Einflusses aerodynamischen Verhaltens der Fahrzeuge in unterschiedlichen Konfigurationen, die sich aus Gründen der Energieeffizienz und eines ausreichenden Durchsatzes zu Fahrverbänden zusammenschließen können sowie zum anderen die Entwicklung einer Fahrzeugsteuerung für die Bildung von Fahrverbänden, die es erlaubt, eine aerodynamisch und damit energetisch optimierte Verbandskonfiguration zu realisieren.
Bei der Untersuchung zum Einfluss der Aerodynamik auf den Betrieb von CargoCap wurde ein aerodynamisches Modell erstellt, das die strömungsmechanischen Gegebenheiten bei der Fahrt von Transportfahrzeugen durch Rohrleitungen abbildet und die Abschätzung des Luftwiderstands der beteiligten Fahrzeuge ermöglicht. Um den Einfluss des Rohrleitungsdurchmessers, der Anzahl der Fahrzeuge in der Rohrleitung und der Bildung von Fahrverbandskonfigurationen gegenüber der Einzelfahrt zu ermitteln, wurde die fahrzeugnahe Strömung mittels numerischer Strömungssimulation (CFD) abgebildet. Die ermittelten Luftwiderstandsbeiwerte waren Grundlage des für repräsentative Betriebsszenarien berechneten Energiebedarfs. Dieses Ergebnis bot eine Grundlage, den Einfluss der einzelnen Parameter darzustellen und diese bezüglich des Energiebedarfs zu bewerten.


Ergebnisse und Diskussion

Themenschwerpunkt Optimale Fahrbewegungen autonomer Fahrzeuge:
In der Dissertation von Knüpfer ist die Grundlage zur steuerungstechnischen Realisierung von CargoCap gelegt worden. Diese beschreibt die optimale Fahrweise der Fahrzeuge im Hinblick auf die Ausnutzung der Kapazität des Transportsystems, der Einhaltung von Sicherheitsabständen und der Minimierung des Energiebedarfs. Dazu ist die für die Annäherung der Fahrzeuge notwendige sichere Trajektorie ausgearbeitet sowie ein Entscheidungskriterium zur Bewertung der Bildung der Fahrverbände auf Basis der Energiebilanz hergeleitet worden. Für die Umsetzung der optimalen Fahrweisen in tatsächliche Fahrbewegungen sind in den Fahrzeugen Drehzahl- und Abstandsregler erforderlich. Auf Basis eines detaillierten nichtlinearen Ersatzmodells für Fahrzeug und Rohrleitungsumgebung sind beide Regelungen entworfen, ausgelegt und simuliert worden.

Themenschwerpunkt Einfluss der Aerodynamik auf den Betrieb eines unterirdischen Transportsystems:
Die Anzahl der Fahrzeuge in einer Rohrleitung ist die wesentliche Einflussgröße auf den Energiebedarf des einzelnen Fahrzeugs. Je mehr Fahrzeuge sich in einer Rohrleitung befinden, umso geringer wird der Energiebedarf des einzelnen Fahrzeugs zur Erbringung der jeweiligen Transportleistung. Der direkte Einfluss der Fahrverbandsbildung auf den Energiebedarf ist jedoch vergleichsweise gering. Die Fahrverbandsbildung wird jedoch benötigt, um einen ausreichenden Durchsatz der Rohrleitung zu erreichen und somit sicherzustellen, dass sich eine zur Realisierung des energieeffizienten Betriebs ausreichende Fahrzeugzahl in der Rohrleitung befinden kann. Neben der Fahrzeugzahl wirkt sich auch der Rohrdurchmesser und das damit verbundene Versperrungsverhältnis erheblich auf den Energiebedarf aus, der mit zunehmendem Rohrdurchmesser geringer wird. Der optimale Rohrdurchmesser sollte hierbei so gewählt werden, dass sich ein Minimum aus den Investitionskosten für den Rohrleitungsbau, für die Fahrzeugantriebstechnik und für die Energieversorgung der Strecke einerseits und den Energiekosten zum Betrieb des Stückguttransportsystems andererseits einstellt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Dissertationsschrift zum Themenschwerpunkt CargoCap - Optimale Fahrbewegungen autonomer Fahrzeuge von Dr.-Ing. Peter Knüpfer ist im Mai 2009 nach erfolgter mündlicher Prüfung veröffentlicht worden.
Der Themenschwerpunkt Einfluss der Aerodynamik auf den Betrieb eines unterirdischen Transportsystems wird im Rahmen der Dissertation von Dipl.-Ing. Martin Schmitt bearbeitet und voraussichtlich im Dezember 2009 eingereicht.
Der im Frühjahr 2008 aktuelle Stand des Forschungsvorhabens ist einem Fachpublikum beim International symposium of underground freight transportation in Arlington/Texas präsentiert worden.


Fazit

Beim Vergleich des Primärenergiebedarfs von CargoCap mit demjenigen des Straßengüterverkehrs ist festzustellen, dass CargoCap tendenziell dieselbe Größenordnung aufweist wie beim Einsatz von Lastzügen, gegenüber Lieferwagen aber erhebliche Einsparungen erzielt werden können. Da CargoCap mit elektrischer Energie betrieben wird, können auch regenerative Energien zum Betrieb eingesetzt werden, wodurch die Emissionen von Kohlendioxid, die bereits bei Verwendung des in Deutschland üblichen Strommixes geringer sind als die des Straßengüterverkehrs, auf Null zurück gehen.
Es ist somit festzuhalten, dass das unterirdische Transportsystem CargoCap eine umweltfreundliche Alternative zum Straßengüterverkehr darstellt und nicht nur Energie einspart und Schadstoffemissionen vermeidet, sondern auch dazu beiträgt, die wesentlichen Probleme beim Transport von Stückgütern wie die Lärmemission und die Bildung von Verkehrsstaus und von Feinstaub zu lösen. Auf geeigneten aufkommensstarken Relationen in Ballungsräumen kann CargoCap somit den Stückgutverkehr revolutionieren.
Zur Bestätigung der Größenordnung des simulationstechnisch berechneten Energiebedarfs von CargoCap sind nun Prüfstandsversuche in einem verkleinerten Maßstab notwendig, die die aerodynamischen Gesetzmäßigkeiten sowie die Systemkonfigurationen abbilden.