Batterie-Elektrische Antriebe in der Landwirtschaft

Abstract

In dieser Arbeit wird die These verteidigt, dass Batterie-Elektrische Antriebe (BEA) für landwirtschaftliche Klein- und Mittelbetriebe in Mitteleuropa mit Hinblick auf wirtschaftliche und praktische Gesichtspunkte, die beste CO2-neutrale Antriebstechnologie für mobile Arbeitsgeräte sind. Es wird zunächst gezeigt, dass die heutige Dominanz von Dieselantrieben hauptsächlich historische Ursachen hat und aus heutiger Sicht keine technische Grundlage mehr hat. Verschiedene alternative Antriebe werden hinsichtlich ihres Ressourcenverbrauchs verglichen, wobei möglichst die gesamte Kette (Well-to-Wheel, WtW) mit allen ihren Verlusten und den wichtigsten Aufwänden für die Herstellung von Komponenten berücksichtigt wird. BEA stechen dabei mit der mit Abstand höchsten WtW-Effizienz von 75% hervor, was bereits die niedrigsten Kosten erwarten lässt. Antriebe basierend auf Wasserstoff-Brennstoffzellen (FCEA) erreichen nur etwa die halbe Effizienz von 36%, Biomethan-Antriebe etwa 17%. Wie erwartet, spiegelt sich der Ressourcenverbrauch der Technologien qualitativ in den Kosten wider. An Beispiel eines mittleren Betriebs werden die Kosten der verschiedenen Technologien über 20 Jahre geschätzt, die wichtigsten Investitionen inkludiert. BEA haben die mit Abstand niedrigsten Kosten, speziell wenn die Akkus großzügiger dimensioniert werden und gleichzeitig zum Puffern von Photovoltaik (PV)-Strom dienen. Anhand diesem letzterem Szenario wird am Beispielbetrieb errechnet, dass die gesamten Energie- und Wartungskosten von derzeit etwa 465000 € (Dieselantriebe) auf 106000 € gesenkt werden können. Dabei wurde angenommen, dass die PV-Anlage zur vollständigen Deckung des Energiebedarfs der Antriebe und des Hofs erweitert wird. Die in dieser Arbeit als zweitbeste Antriebe identifizierten Biomethan-Antriebe verursachen ähnlich wie FCEA etwa die dreifachen Kosten. Die höchsten Kosten werden für synthetischen Diesel prognostiziert. Bei den in dieser Arbeit getroffenen Annahmen könnten die Kosten für BEA-Traktoren (exklusive Akkus) um 72% höher sein, um mit herkömmlichen Dieseltraktoren konkurrieren zu können. Langfristig steht sogar in Aussicht, dass BEA günstiger herstellbar sind als Dieselantriebe. Der intuitive Einwand, dass Akkukapazitäten und Ladezeiten dem alltäglichen Betrieb auf einem Bauernhof im Weg stehen, wird in dieser Arbeit mit Hilfe von beispielhaften Szenarien weitgehend zerstreut. Optimalerweise sind Pufferakkus, die Schnellladen ermöglichen oder Wechselakkus vorhanden, die allermeisten Arbeiten können jedoch auch ohne diese Hilfen unterbrechungsfrei durchgeführt werden. Außerdem bieten BEA eine Reihe weiterer Vorteile wie die perfekte Schlupfregelung und hohen Komfort. BEA werden in dieser Arbeit eindeutig als die beste CO2-neutrale Antriebstechnologie für Klein- und Mittelbetriebe identifiziert. Die Erkenntnisse können auch auf andere Betriebsformen und -größen ausgedehnt werden. Wegen der mit Abstand niedrigsten prognostizierten Kosten sollten BEA auch für Großbetriebe in Betracht gezogen werden.

In this work, the thesis is defended that for small and medium-sized agricultures in Central Europe battery-electric drives (BED) are the best CO2-neutral drive technology for mobile work equipment with regard to economic and practical aspects. It is first shown that the current dominance of diesel drives has mainly historical reasons, from today's point of view it has no longer a technical basis. Various alternative drives are compared in terms of their resource demand, taking into account the entire supply chain (Well-to-Wheel, WtW) with all its losses and the most significant demands for manufacturing components. BED stick out with by far the highest WtW efficiency of 75%, expecting the lowest costs of all investigated drives. Hydrogen fuel cell electric drives (FCED) and biomethane drives e.g., result in much lower efficiencies of around 36%, and 17%, respectively. As expected, the resource consumption of the technologies is qualitatively reflected in the costs. Using the example of a medium-sized farm, the costs of the various technologies were estimated for the period of 20 years, including the most significant investments. BED turned out to be by far the most economical drive, especially when the batteries are dimensioned larger to be used at the same time to buffer photovoltaic (PV) electricity. Applying this latter scenario to the example farm, the calculations promise that the total energy and maintenance costs can be reduced from currently around 465 000 € (based on diesel drives) to 106 000 €. It was assumed that the PV system is expanded to cover the energy demand of the drives and the premises as well. Biomethane drives identified in this work as the second-best technology causing around three times the costs of BED, similar for FCED. The highest costs are predicted for synthetic diesel. Using the assumptions made in this work, the cost of BED tractors (excluding batteries) could be 72% higher to be able to compete with conventional diesel tractors. In the longterm, however, it is expected BED can be produced at lower costs than diesel drives. Intuitively, one could expect that battery capacities and their charging times are incompatible to the daily work on a farm. Sketching exemplary scenarios, it turned out that the majority of jobs can be carried out without interruption. Ideally, buffer batteries, enabling quick charging, or exchangeable batteries are available to finish all jobs without any interruption and to be able to buffer the entire PV electricity. In addition, BED offer a number of other advantages such as perfect slip control and a high level of comfort and safety. In this work, BEA are clearly identified as the best CO2-neutral drive technology for small and medium-sized farms in Central Europe. The results may also be extended to other agriculture types and sizes. Due to the by far lowest expected costs, BED should also be considered for farms working much larger areas.