IKT für Elektromobilität II - Smart Car - Smart Grid - Smart Traffic

I. Handlungsbedarf und Förderziele

Analysen zur Elektromobilität, wie zuletzt die Ergebnisse des BMWi-Forschungsvorhabens "eCar-IKT-Systemarchitektur für Elektromobilität" zeigen, dass die Elektrifizierung des Antriebsstrangs von Automobilen zu tief greifenden Veränderungen in der gesamten automobilen Wertschöpfungskette führen wird. Das betrifft nicht nur die Fahrzeug- und Zulieferindustrie selbst, der Wandel hat auch weit reichende Auswirkungen auf andere Industriebranchen wie die Energie- und Informations- und Kommunikations- (IKT)-Branche. Elektrofahrzeuge werden in viel stärkerem Ausmaß als heutige Verbrennungsfahrzeuge mit ihrer Umwelt interagieren und kommunizieren und in die Verkehrsinfrastruktur und Energienetze eingebunden sein. Dazu werden zum einen künftige E-Fahrzeuge über neue Funktionen und Ei­genschaften verfügen, für die eine völlig neue IKT-basierte Fahrzeugarchitektur erforderlich wird. Zum anderen werden Elektrofahrzeuge über entsprechende Schnittstellen in das Stromversorgungs-System eingebunden sein und so als mobile Speicher einen Beitrag zum aktiven Energiemanagement leisten. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass E-Fahrzeuge Teil eines intelligenten Verkehrssystems werden, das unter anderem durch aktive vorausschauende Sicherheitssysteme und eine stärkere Kommunikation der Verkehrsteilnehmer untereinander gekennzeichnet ist. Als verbindendes Element dieser drei Entwicklungspfade spielt moderne Informations- und Kommuni­kationstechnik (IKT) eine entscheidende Rolle.

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) will daher mit dem Technologiewettbewerb "IKT für Elektromobilität II" ausgewählte Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten (FuE-Aktivitäten) sowie Piloterprobungen zur beschleunigten Entwicklung und breitenwirksamen Nutzung ganzheitlicher, auf Informations- und Kommunikationstechnologien gestützter Konzepte der Elektromobilität fördern. Hierzu hat die Bundesregierung in ihrer IKT-Strategie "Deutschland Digital 2015" vom 10. November 2010 erste konkrete Vorschläge vorgelegt. Mit dem Technologiewettbewerb "IKT für Elektromobilität II" werden wesentliche Elemente dieser IKT-Strategie aufgegriffen. Gleichzeitig werden die Handlungsempfehlungen zum BMWi-Forschungsvorhaben "eCar-IKT-Systemarchitektur für Elektromobilität" im Bereich von FuE-Aktivitäten des Bundes bei (IKT)-Infrastrukturen umgesetzt.

Der Technologiewettbewerb ist eingebettet in den Nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität (NEP) der Bundesregierung vom August 2009, der den Rahmen für künftige Technologieentwicklungen und für eine anzustrebende Markteinführung von Elektrofahrzeugen in Deutschland bildet. Auf Basis des NEP wurde auf Einladung der Bundeskanzlerin am 03.05.2010 die Nationale Plattform Elektromobilität (NPE) als eine institutionalisierte Plattform für den branchenübergreifenden Dialog konstituiert. Ziel ist es, die deutsche Industrie zusammen mit Mittelstand und Handwerk bis zum Jahr 2020 zum Leitanbieter und Leitmarkt für Elektromobilität zu entwickeln. Dazu sollen unter anderem Wege aufgezeigt werden, der Elektromobilität mit zunächst eine Million Elektrofahrzeugen bis 2020 auch in Deutschland zum Durchbruch zu verhelfen.

Mit der Vorstellung des Themenkatalogs Forschung/Entwicklung und Qualifizierung 2011 - 2015 sowie des Zwischenberichtes der NPE am 30. November 2010 liegen der Bundesregierung erste konkrete Handlungsempfehlungen der NPE im Bereich der vorwettbewerblichen Forschung und Entwicklung (FuE) vor. Sie sind Grundlage für die Ausgestaltung dieser Förderbekanntmachung.

Danach besteht insbesondere Forschungsbedarf zum verstärkten Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnik (IKT), zu Steuerungs-, Abrechnungs- und Controllingzwecken sowie zu intelligenten Lösungen im Rahmen von Smart Grid und neuen Geschäftsmodellen.

Der Technologiewettbewerb "IKT für Elektromobilität II" greift die Empfehlungen der NPE auf und setzt sich dabei folgende strategische Ziele:

• Ausbau des Technologie- und Industriestandortes:
  Deutschland soll als Leitmarkt für Elektromobilität einen neuen systemübergreifenden Innovationsschub bringen, wobei die IKT-Branche eine tragende Rolle spielt.

• Integration der Fahrzeuge in das Stromnetz:
  Batteriebetriebene Fahrzeuge tragen mit Hilfe der IKT zur Verbesserung der Effizienz der Netze bei und fördern den Ausbau der erneuerbaren Energien.

• Schaffung einer neuen IKT-basierten Mobilität:
  Elektrofahrzeuge können ein Baustein für intelli­gente und multimodale Mobilitätskonzepte der Zukunft sein.

Konkrete Förderziele:

Zwischen den Infrastrukturen Elektrizitätsversorgung und Verkehr sowie den vielfältigen Formen von Elektrofahrzeugen wird es zukünftig zahlreiche systemübergreifende Konvergenzprozesse geben. Dabei soll mithilfe der IKT eine wechselseitige Optimierung der Verkehrs- und Energiesysteme in Richtung Wirtschaftlichkeit, Umweltverträglichkeit und Leistungsfähigkeit angestoßen werden.

Der vorliegende Technologiewettbewerb ist ganzheitlich angelegt und fokussiert dabei die Förderung von Forschung und Entwicklung auf das "Dreieck" aus "Smart Car", "Smart Grid" und "Smart Traffic" (vgl. Infografik).

1.) Smart Car (Intelligentes Fahrzeug mit neuer IKT-Systemarchitektur)

IKT in Form von Elektrik, Elektronik und Software sind bereits heute essentiell für die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Automobilindustrie. Die eingebettete IKT in modernen Pkw macht ca. 30-40% der Wertschöpfung im Automobilbau aus und ist Treiber für Innovationen im Fahrzeug. So werden rund 90% aller Innovationen im Fahrzeugbau durch eingebettete IKT-Systeme realisiert. IKT ermöglicht schon heute wesentliche Fahrzeugfunktionen wie ABS, Digitale Einspritzung, ESP, Adaptive Cruise Control, Einpark-Assistent, Notbremsassistent etc. Als das "Nervensystem" moderner Fahrzeuge kommt der IKT im Fahrzeug eine integrierende und optimierende Rolle zu.

Mit der Herausforderung, immer neue IKT-basierte Funktionen im Fahrzeug zu realisieren, stößt die Systemarchitektur heutiger Fahrzeuge zunehmend an ihre Grenzen. Die traditionelle IKT-Systemarchitektur gerät in eine Art "Komplexitätsfalle". In heutigen Fahrzeugen sind eine Vielzahl von Steuergeräten, Sensoren und Aktoren verbaut und über komplexe Kabelverbindungen verschaltet. Für Material, Verlegung und Reparatur als Folge der Anfälligkeit der Steckverbindungen entstehen hohe Kosten. Außerdem sorgt die feste Verdrahtung und die wachsende Zahl von übergreifenden Funktionen dafür, dass der Aufwand für Entwicklung, Integration und Test neuer Funktio­nen stetig ansteigt. Gleichzeitig erschwert die starre IKT-Architektur heutiger Fahr­zeuge, neue Funktionen nach Auslieferung im Fahrzeug nachzurüsten.

Ein Lösungsansatz besteht in einer neuen IKT-Systemarchitektur für Fahrzeuge. Sie ist insbesondere für zukünftige Elektrofahrzeuge aus folgenden Gründen erforderlich:

• Zur Reduzierung von Gewicht und Erhöhung der Reichweite:
  Sicherheit wird heute noch vorwiegend durch passive Sicherheitsmaßnahmen (z.B. Airbag, Knautschzone) und nicht durch IKT realisiert. Aktive, d.h. vorausschauende und intelligente Sicherheitsmaßnahmen (z.B. Notbremsassistent, Abstandsautomatik) könnten passive Sicherheitsmaßnahmen ersetzen (Unfallvermeidung statt Milderung von Unfallfolgen) und so eine leichtere, die Reichweite steigernde Bauweise von Elektrofahrzeugen ermöglichen.

• Zur Senkung von Komplexität und Kosten:
  Reduzierung der Vielzahl im Fahrzeug verteilter spezifischer Steuergeräte durch einige wenige zentrale oder mehrere dezentral vernetze Recheneinheiten. Diese sind über geeignete Kommunikationsschnittstellen mit intelligenten Aktuatoren und Sensoren vernetzt. Durch eine einfache und flexible Architektur werden Prozesse transparenter und leichter beherrschbar.

• Zur Realisierung neuer Funktionen im Fahrzeug und nachträglicher Anpassungen:
  E-Fahrzeuge müssen aufgrund ihrer hohen Batteriekosten gegenüber her­kömmlichen Fahrzeugen einen Mehrwert bieten, der Kunden die Umstellung auf neue Antriebskonzepte erleichtert. Dieser Mehrwert kann unter anderem über neue Funktionen und Eigenschaften z.B. zur Verbesserung von Komfort und Sicherheit sowie neue Entertainment-Funktionen realisiert werden. Die konsequente Realisierung von bisher fest verdrahteten Komponenten und Steuerungen in Software ermöglicht problemlosere, zeitnahe Anpassungen und Erweiterungen über den gesamten Fahrzeug-Lebenszyklus. Wichtig ist dabei eine verstärkte Modularisierung in Software.

Ziel der FuE-Aktivitäten zu "Smart Car" ist es daher, Lösungsansätze für grundlegend einfachere IKT-Systemarchitekturen "smarter" Fahr­zeuge zu entwickeln und zu erproben, die mit den neuen Antriebsarchitekturen der Elektromobile korrespondieren. Die Ergebnisse sollen in verkehrstauglichen Prototypen integriert und in den Modellregionen evaluiert werden (im Einzelnen, siehe II., Themenschwerpunkt 1).

2.) Smart Grid (intelligente Einbindung von Elektrofahrzeugen in das Energieversorgungssystem)

Intelligente Fahrzeuge müssen zukünftig eng mit dem zunehmend durch IKT gesteuer­ten Energienetz interagieren, um die Netzstabilität nicht zu gefährden und das Potential der alternativen Energien ausschöpfen zu können. Ziel muss es zum einen sein, das Laden von E-Fahrzeugen so zu steuern, dass es nicht zu Überlas­tungen im Verteilnetz kommt. Darüber hinaus könnten Elektrofahrzeuge durch intelli­gente Steuerungsmechanismen in Zukunft als zusätzliche Stromreserve und mobile Speicher genutzt werden, die z.B. "Ökostrom" tanken und nicht benötigten Fahrstrom in Zeiten hoher Nachfrage ins Verteilnetz zurückspeisen. Im kleinen Maßstab sind erste "vehicle to grid"-Szena­rien mit Rückspeisung in den sieben Modellregionen des BMWi-Förderschwerpunk­tes "IKT für Elektromobilität" des Konjunkturprogrammes II prinzipiell erprobt worden. Das alltägliche Verhalten der Nutzer und damit die optimale Gestaltung dieser neuen Infrastrukturen bei einer großen Zahl von Elektrofahrzeugen mit vielfältigen Verbrau­cherprofilen und einem regional differenzierten Mix von Energieerzeugern ist jedoch nur in realen Feldtests mit einer Vielzahl von Teilnehmern zu verifizieren. Zu erwarten sind vielfältige, noch nicht hinreichend prog­nostizierbare Effekte und komplexe Wechselwirkungen, die letztendlich über den Erfolg der Elektromobilität entscheiden werden. Ziel der FuE-Aktivitäten zu "Smart Grid" ist es daher, das Zusammenspiel von IKT-gestützten Energie-Infrastrukturen und Flottenverbünden mit dem Ziel zu erproben, die Erzeugung von volatilem, dezentral erzeugtem Strom aus Erneuerbaren Energien mit Elektrofahrzeugen als mobilen Speichern zu koppeln (im Einzelnen, siehe II., Themenschwerpunkt 2).

3.) Smart Traffic (Intelligente Verkehrsinfrastruktur zur Erhöhung von Effizienz, Reichweite und Sicherheit)

Auch zwischen Elektromobilen und zukünftigen Verkehrsinfrastrukturen besteht eine enge Wechselwirkung. Elektromobile haben gegenüber konventionellen Kraftfahrzeugen zwar Vorteile, etwa bei der Ökobilanz, werden aber voraussichtlich auf absehbare Zeit  bei der Reichweite, der Anzahl der "Tankzyklen" und der "Tankdauer" im Nachteil sein. So erfordert die begrenzte Reichweite heutiger batteriebetriebener Elektrofahrzeuge neue Modelle zur Gewährleistung von Mobilität, zum Beispiel integrierte Angebote für den reibungslosen Übergang auf andere Verkehrsträger wie Busse und Bahnen. Darüber hinaus sollten Elektrofahrzeuge in Zukunft in viel stärkerem Ausmaß als heutige Verbrennungsfahrzeuge über fortgeschrittene Telematik- und Navigationstechniken z. B. zur Reichweitenoptimierung und über Techniken zur Kommunikation der Verkehrsteilnehmer untereinander verfügen. Dadurch könnte der Verkehrsfluss besser gesteuert, die Entstehung von Staus verringert und die Sicherheit des Verkehrsgeschehens insgesamt erhöht werden. Der Datenaustausch zwischen verschiedenen Dienstleistern könnte darüber hinaus die überregionale Weitergabe von Mehrwertdiensten ermöglichen. Auch modulare Dienste, die mittels Apps etc. konfiguriert werden, sind denkbar. Bei Smart Traffic steht also die intelligente Vernetzung der Verkehrskomponenten Infrastruktur, Verkehrsmanagement, Fahrzeug und Fahrzeugbetrieb im Vordergrund. Dabei gilt es, die Möglichkeiten IKT-gestützter Navigation so zu nutzen, dass Elektromobile optimal in die Verkehrsinfrastruktur integriert werden (im Einzelnen, siehe II., Themenschwerpunkt 2).