Platooning: Vorbild Zugvogel

MIT-Wissenschaftler haben das Lkw-Platooning analysiert und herausgefunden, wie sich mit einfachen Lösungen hohe Treibstoff-Einsparungen erzielen lassen.

In den kommenden Jahren wird sich der Arbeitsplatz von Truckern deutlich wandeln. Wenn Lkws in einem digitalen Konvoy - Platoon - über die Autobahn rollen, wird das allerdings nicht nur die Abläufe in der Logistik-Wirtschaft verändern. Platooning leistet auch einen deutlichen Beitrag zur Einsparung von Energie. Wie das funktionieren kann, hat das Massachusetts Institute of Technology (MIT) jetzt in einer Studie gezeigt. Die Wissenschaftler haben untersucht, wie sich die Vorteile des Platooning gegenüber konventionellen Transportlösungen am besten nutzen lassen. Dabei orientierten sie sich zunächst an Vogelschwärmen oder Rennwagen-Piloten. Beide verringern mit einer engen Formation den Luftwiderstand um Energie zu sparen.

In ihrer Studie suchten die Wissenschaftler nach Möglichkeiten, Platoons so einzusetzen, dass die Fahrzeuge Energie einsparen und gleichzeitig Verspätungen und Wartezeiten möglichst vermeiden. Ihre Ergebnisse präsentierten sie Ende Dezember 2016 beim International Workshop „On the Algorithmic Foundation of Robotics“ in San Francisco. In ihrer Analyse zeigen sie, dass relativ unkomplizierte Zeitpläne für autonome Fahrzeugflotten ausreichen, um Treibstoffkosten und Verzögerungen zu minimieren. Die Ergebnisse lassen sich auch auf konventionelle Langstreckentransporte und sogar auf Ridesharing-Dienste übertragen.

Lastwagen-Platooning und Vogelschwärme bieten vom System her gesehen die gleichen Herausforderungen.

Sertac Karaman, MIT-Professor

„Ridesharing und Lastwagen-Platooning bieten vom System her gesehen die gleichen Herausforderungen wie Vogelschwärme und Formationsflüge,“ erklärt MIT-Professor Sertac Karaman. „Zeitgenossen, die sich mit diesen Systemen beschäftigen, blicken nur auf Effektivitäts-Parameter wie Verzögerung und Durchlauf. Wir untersuchen die gleichen Parameter auf nachhaltige Elemente wie Kosten, Energie und die Auswirkung auf die Umwelt. Diese Vorgehensweise könnte die Logistik tatsächlich auf den Kopf stellen.“

Vor allem auf langen Distanzen, so Karaman, verbraucht der Lastwagen den größten Teil des Treibstoffs allein dafür, um sich gegen den Luftwiderstand durchzusetzen. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass sich der Energieverbrauch drastisch senken lässt, wenn Lastwagen in geringen Abständen hintereinander fahren. Für die Fahrzeuge in der Mitte des Platoons ergeben sich nach diesen Berechnungen Treibstoffeinsparungen von bis zu 20 Prozent. Der letzte Truck des Platoons kommt wegen der Luftschleppe auf einen um 15 Prozent verringerten Verbrauch.

Mit wievielen Fahrzeugen rollt der Konvoi am effektivsten?

Je mehr Fahrzeuge einen Platoon bilden, desto größer könnten die Einsparungen ausfallen. – Dem steht allerdings ein Kostenfaktor gegenüber, der durch den Zeitaufwand entsteht, der benötigt wird, einen Konvoy zusammenzustellen.

Zwei Systeme im Test

Karaman und seine Kollegen haben ein mathematisches Modell entwickelt, um die Auswirkungen der verschiedenen Planungen auf den Treibstoffverbrauch zu ermitteln. Die Studiengruppe untersuchte dafür, wie sich die Ankunftszeiten und der Treibstoffverbrauch unter zwei verschiedenen Zeitplanungsmethoden veränderten:

Eine „Fahrplan-Methode“, bei dem sich die Platoons zu festgelegten Zeiten zusammenfinden und starten. Sowie ein flexibles System, bei der sich die Fahrzeuge auf Zuruf zum Platoon organisieren und losfahren, wenn eine bestimmte Anzahl von Lastwagen zur Abfahrt bereit steht. Dieses Vorgehen kennt Karaman aus seinem Heimatland. „Ich bin in der Türkei aufgewachsen, wo zwei Arten des öffentlichen Nahverkehrs existieren: Normale Busse, die nach einem festen Fahrplan fahren. Und Fahrzeuge, bei denen der Fahrer so lange wartet, bis der Bus voll ist“, erklärt Karaman.

In der Türkei fährt der Busfahrer los, wenn der Bus voll ist

Bei ihrer Suche nach einem Modell für Fahrzeug-Platooning analysierten die Wissenschaftler zahlreiche Szenarien für die unterschiedlichen Methoden. Dabei verglichen sie zum Beispiel die Auswirkungen variierender Zeitintervalle bei den Abfahrtszeiten. Bei der „Zuruf-Methode“ verglichen sie welche Auswirkungen die Anzahl der Fahrzeuge hat, die einen Platoon bilden.

Als Ergebnis, so Karaman und seine Mitstreiter, stand die Erkenntnis, dass die in festgelegten Zeitintervallen zusammengestellten Platoons nachhaltiger und sparsamer unterwegs waren als die mit wechselnden Zeitabständen eingesetzten Konvoys. Bei der „Zuruf-Gruppe“ zeigte sich, dass diejenigen Platoons die besten Werte lieferten, die stets mit der gleichen Anzahl von Trucks auf die Reise geschickt wurden.

Fünf Prozent weniger Treibstoff

Allerdings zeigte sich auch, dass die „Zuruf-Truppen“ nachhaltiger unterwegs waren als die „Fahrplan-Konvoys“. Insgesamt sparten sie fünf Prozent mehr Treibstoff ein. „Man sollte meinen“, so Karaman, „dass ein komplizierteres System mehr Energie und Zeit einsparen würde, doch wir haben gezeigt, dass langfristig die einfacheren Lösungen am meisten bringen.“ In Zukunft, rät Karaman, sollten Lastwagen mit einem Abstand von drei bis vier Metern über die Autobahn rollen.

Die Forschungsgruppe übertrug ihre Simulationen auch auf autonome Ride-Sharing-Dienste, - konkret auf ein System von fahrerlosen Shuttle-Fahrzeugen, das Passagiere zwischen Haltestellen transportiert. Dabei sollten sich die Fahrpreise und die Zeiten nach der Energie-Kapazität des Systems und den Fahrplan-Notwendigkeiten richten. So konnten die Simulationen etwa die optimale Zahl von Fahrgästen pro Shuttle ermitteln, um Treibstoff zu sparen und einen Stillstand zu vermeiden. „Wir glauben, dass dieses Denken am Ende den Aufbau eines neuen Transportsystems ermöglichen wird, bei dem die Kosten deutlich reduziert werden können“, erklärt Karaman.

 

Zum Beispiel Infrastruktur: Im Gespräch erklärt Martin Zeilinger, Leiter Vorentwicklung bei Daimler Trucks, welche Hürden Lkw-Platooning überwinden muss.

Wie weit ist Platooning von einem Praxis-Einsatz entfernt?

Martin Zeilinger: Den Praxis-Test haben wir schon mehrfach unter Beweis gestellt. Zuletzt 2016 mit der Fahrt von Stuttgart nach Rotterdam anlässlich der European Truck Platooning Challenge mit unserem 3er-Platoon mit Highway Pilot Connect.

Gibt es konkrete Ergebnisse aus den Praxistests?

Die grundsätzliche Funktion des Systems könnten wir problemlos darstellen. Anwendungsfälle, wie das Einscheren anderer Verkehrsteilnehmer, das Bilden und Auflösen des Platoons und Bremsmanöver des ganzen Verbunds verliefen unter Realbedingungen ohne Probleme. Der Praxis-Test verlief erfreulich „unspektakulär“ und ermöglichte eine für die Fahrer entspanntere Tour dank des Highway Pilot Connect, dem System, das teilautomatisiertes und elektronisch gekoppeltes Lkw fahren ermöglicht.

Welche regulatorischen Voraussetzungen müssen für einen Praxis-Einsatz geschaffen werden?

Die regulatorischen Rahmenbedingungen stellen aus unserer Sicht die größte Herausforderung dar. Zumal es keine einheitlichen Vorgaben gibt, weder in Deutschland noch in der EU. Aber auch der Infrastruktur müssen wir unser Augenmerk schenken. Insbesondere baufällige Brücken, fehlende LTE-Abdeckung, schlechte Straßenmarkierungen sowie dichter Verkehr und Staus erschweren eine optimale Nutzung von Platooning erheblich. Und es muss geregelt sein unter welchen definierten Randbedingungen ein Fahrer den vorgeschriebenen Mindestabstand unterschreiten darf.

Wie groß sind die Energieeinsparungen, wenn Platooning genutzt wird?

Messfahrten auf einer ebenen Teststrecke mit drei Sattelzügen und einer konstanten Geschwindigkeit von 80 km/h führten zu einem Verbrauchsvorteil von durchschnittlich sieben Prozent. Die Vorteile je nach Position im Platoon fallen unterschiedlich hoch aus: Bei einem Dreier-Platoon profitiert das Führungsfahrzeug mit einem Vorteil von zwei Prozent, das mittlere Fahrzeug von elf Prozent sowie das Schlussfahrzeug von neun Prozent. Diese Unterschiede sind auf die unterschiedlichen Auswirkungen der Aerodynamik auf die einzelnen Fahrzeuge zurückzuführen.

Wie lassen sich die unterschiedlichen Einsparungen ausgleichen?

Hier lassen sich verschiedenste Verrechnungsmöglichkeiten denken. Beispielsweise über entsprechende Verrechnungsmodelle unter den verschiedenen Speditionen, wenn sich Lkw herstellerübergreifend im Fernverkehr andocken. Aber selbst ohne diese „Umlage“ spart immer auch das Führungsfahrzeug merklich Kraftstoff. Für uns gilt es jedoch zunächst die oben genannten regulatorischen Herausforderungen zu meistern.

Wie groß dürfen die einzelnen Gruppen sein?

Die maximale Länge des Platoons wird nicht durch die Reichweite der Übertragungssignale begrenzt, sondern durch die Anzahl der Fahrzeuge. Eine stabile Verbindung muss jederzeit gewährleistet sein. Es gilt zudem einen „Ziehharmonika-Effekt“ zu verhindern. Deshalb ist es nicht sinnvoll, mehr als zehn Fahrzeuge aneinander zu koppeln.

Wäre es sinnvoll, die einzelnen Platoons nach Ziel und Terminplanung zusammenzustellen?

Auf längere Sicht ist das in jedem Fall sinnvoll. In einem ersten Schritt müssten sich natürlich die Lkw mit der entsprechenden Technik zusammen finden.

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