U-Shift – ein Fahrzeugkonzept für smarte Städte

© Aleksejs Bergmanis / Pexels

Das automatisierte elektrische Fahren wird den Verkehr in unseren Städten vollständig verändern. Die einen sehen die Lösung in smarten Fahrzeugen. Das Institut für Fahrzeugkonzepte am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt schlägt einen anderen Weg vor: Beim modularen Fahrzeugsystem U-Shift wird vor allem die Stadt smart, wie Projektmanager Jürgen Weimer schreibt.

Der Verkehr in unseren Städten wird von immer mehr Menschen als problematisch wahrgenommen. Und das aus einer ganzen Reihe von Gründen: Der augenfälligste ist der zunehmende Verkehr, der zu einer Luft- und Lärmbelastung führt, die immer weniger toleriert wird. Hinzukommt, dass die Flächen, die für motorisierte Fahrzeuge in unseren Städten reserviert sind, immer größeren Raum einnehmen, der für andere Nutzungen nicht mehr zur Verfügung steht. Auch das stößt auf wachsende Kritik. Der schwerwiegendste Grund ist jedoch der drohende Klimawandel, der uns zwingt, neue umweltfreundlichere Formen der Mobilität zu entwickeln. Dabei brauchen wir nicht nur innovative Verkehrskonzepte, sondern auch eine Industrie, die sich auf die sich wandelnden Mobilitätsanforderungen einstellt.

 

„Wir brauchen nicht nur innovative Verkehrskonzepte, sondern auch eine Industrie, die sich auf die sich wandelnden Mobilitätsanforderungen einstellt.“

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) will diese Transformation der Industrie und der Mobilität mitgestalten. Seit vielen Jahren forscht das DLR im Bereich Verkehr an Lösungen für die Anforderungen einer immer mobiler werdenden Gesellschaft. Ein Konzept: U-Shift, ein modulares, automatisiertes Fahrzeug für den Transport von Personen und Gütern im öffentlichen innerstädtischen Verkehr. Unsere Mission lautet: Wir wollen eine effektive Mobilität in den Innenstädten mitgestalten, um angesichts der bekannten Probleme der Lärm- und Umweltbelastung im urbanen Bereich ein lebenswerteres Umfeld zu schaffen. Dabei wollen wir nicht nur einen Beitrag zur Verbesserung der Verkehrssituation leisten, sondern auch Lösungen entwickeln, die für alle Beteiligten wirtschaftlich attraktiv sind. Denn diese schönere Welt bekommen wir nur dann, wenn dafür auch Investoren gefunden werden, Unternehmen, die die Lösungen umsetzen, und Menschen, die diese Angebote auch nutzen und bezahlen wollen.

Flexibilität nach dem Baukastenprinzip

Der innovative Ansatz des autonomen, elektrischen Fahrzeugkonzepts U-Shift besteht in der Trennung von Antriebsmodul und Transportkapsel. Dies ermöglicht eine neue Art der Modularität und damit auch eine neue Intermodalität, neue Produkte und Geschäftsmodelle. Das Antriebsmodul des Fahrzeugs kann in Kombination mit verschiedenen Kapselarten sowohl für den Transport von Personen als auch Waren eingesetzt werden. Das Grundprinzip kennt man bereits von Sattelzug-LKWs, bei denen der Antriebswagen mit dem Motor und der Fahrerkabine baulich vom austauschbaren Auflieger, in dem sich das Transportgut befindet, getrennt ist.

 

Rendering U-Shift Personen-Kapsel © DLR-FK

Rendering U-Shift Bus-Kapel © DLR-FK

Das elektrische Antriebsmodul, „Driveboard“ genannt, ist standardisiert, hochautomatisiert und industriell herstellbar. Es entspricht in etwa dem Fahrgestell eines konventionellen Fahrzeugs, jedoch steckt im U-förmigen Driveboard die gesamte Technik des Systems – vom elektrischen Antrieb, über die Steuerung für den fahrerlosen Betrieb bis hin zu den Ladekomponenten. Mit dem ebenfalls im Driveboard integrierten Hubsystem, können die vom Fahrgestell getrennten Transportkapseln für Personen und Güter einfach und schnell nach dem Prinzip von „Lift-and-Drive“ ausgetauscht werden.

Die Transportkapseln sind wiederum nur mit den notwendigsten technischen Systemen ausgestattet und können kostengünstig auch in kleineren Stückzahlen hergestellt werden. So ist es möglich, sie individuell, flexibel und bedarfsgerecht zu gestalten, je nachdem für welchen Zweck sie im Personenverkehr oder im gewerblichen Transport eingesetzt werden sollen. So könnte es etwa unterschiedliche Kapseln für die Nutzung als Bus, als Pakettransporter, als Kühlwagen oder auch Umzugswagen geben.

Smarte Infrastruktur ersetzt autonomes Fahren

Anders als bei anderen neuen Fahrzeugkonzepten, die üblicherweise mit so genanntem „Cooperative Automated Driving“ (CAD) autonom fahren wollen, ist die Automatisierung bei U-Shift deutlich stärker mit der Infrastruktur verknüpft. U-Shift setzt beim nächsten Level der Automatisierung an, beim „Managed Automated Driving“ (MAD). Die Schlüsselelemente dafür sind eine Absicherung der Fahrzeuge über Infrastruktursensorik, das Management der Fahrzeuge über eine Verkehrsleitzentrale und eine optimierte Nutzung der Straßeninfrastruktur. Man kann es sich in etwa so vorstellen: An jedem Laternenmast wird ein Sensor sein, mit dem man die Fahrzeuge sicher durch die Straßen lenkt.

Anders als beim CAD-System setzt U-Shift also darauf, dass die Intelligenz des Systems nicht im Fahrzeug, sondern im Wesentlichen in der urbanen Infrastruktur steckt. So wird nicht nur die nötige Rechenleistung in den Fahrzeugen reduziert, sondern auch die Sicherheit des gesamten Systems erhöht. „U-Shift Control“ wird eine offene Plattform für Flotten, integriertes Flotten- und Energiemanagement sein, was nicht nur die Kosten dämpft, sondern auch vielen innovativen Unternehmen die Chance eröffnet, eigene Anwendungen zu entwickeln.

 

Automatisierte Infrastruktur mit U-Shift © DLR-FK

U-Shift mit Umgebungssensoren © DLR-FK

Fließender Verkehr, der niemals schläft

Da Driveboard und Transporteinheit voneinander getrennt sind, können beide unabhängig voneinander genutzt werden. So ist es zum Beispiel möglich, dass die Driveboards 24 Stunden am Tag im Einsatz sind und zum Beispiel tagsüber Personen und nachts Waren bewegen. Dieser Dauereinsatz erhöht die Verkehrseffizienz und rechtfertigt die höheren Kosten der Antriebseinheit sowie Investitionen in die Infrastruktur. Anwendungsbeispiele sind autonome Nachtbelieferung oder barrierefreie Personenbeförderung. Dazu wird das Driveboard einfach jeweils mit anderen Kapseln bestückt.

Personenkapseln können im Personenverkehr, wo heute der motorisierte Individualverkehr dominiert, für vielfältige Fahrtzwecke eingesetzt werden, zum Beispiel als „People Mover“ oder als Bus-Kapsel, die über ein flexibles Rufsystem in den Öffentlichen Personennahverkehr integriert werden kann. Im Wirtschaftsverkehr sind ebenfalls viele Einsatzmöglichkeiten für Güterkapseln denkbar: im Lieferverkehr, als Service-Einheit, zur Abfallentsorgung und so weiter.

„Was früher tote Parkplätze waren, können morgen Service-Inseln sein.

Während parkende Fahrzeuge heute ungenutzte Fahrzeuge sind, können abgestellte Transportkapseln in Zukunft auch produktiv sein, zum Beispiel als Paketstationen, mobile Ladengeschäfte oder Recycling-Container. Was früher tote Parkplätze waren, können morgen also Service-Inseln sein.

Wirtschaftlichkeit durch Skalierung

Für die Produktion dieser neuen Fahrzeugkonzepte werden wir mit neuen Playern arbeiten. Es werden voraussichtlich nicht die großen Automobilkonzerne sein, die sich hier engagieren. Doch in den Produktionsnetzwerken der Automobilindustrie, etwa bei den Sonderfahrzeugherstellern, stößt das Konzept durchaus auf Interesse. Hier gibt es Hersteller, die daran interessiert sind, erste Kleinserien zu produzieren. Im September 2020 wollen wir, finanziert durch das Land Baden-Württemberg, ein erstes „Mock-up“ – also ein Modell des Fahrzeugs in voller Größe – einem Fachpublikum und der Öffentlichkeit präsentieren.

Parallel zu den Fragen der technischen Machbarkeit führen wir unter anderem auch Studien durch, um die Wirtschaftlichkeit des Mobilitätskonzepts belegen zu können – gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie. Es gibt einige Effekte, die uns sagen, dass das System wirtschaftlich zu betreiben sein wird, etwa die Tatsache, dass viele autonome Fahrzeuge rund um die Uhr im Einsatz sind oder auch die hohen Kosten für den Fahrer gespart werden. Entwicklungstrends bei neuen Chips für künstliche Intelligenz (KI) oder auch der digitale Netzausbau werden die Wende vom smart Car zur smart City unterstützen. 

Eine infrastrukturbasierte Automatisierung wird kommen: neben höherer Sicherheit und Effizienz auch aus finanziellen Gründen. Die Gesamtkosten für eine infrastrukturbasierte Automatisierung benötigen zwar eine hohe Anfangsinvestition. Diese rechnet sich aber sehr schnell, wenn das System mit der wachsenden Anzahl an autonomen Fahrzeugen und vielen U-Shift-Systemen skaliert – damit unsere Städte nicht nur smarter, sondern auch lebenswerter werden.

Jürgen Weimer ist seit 2013 Projektmanager am DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte. Schwerpunkt seiner Arbeit dort ist das Projekt „U-Shift“. Er studierte Elektrotechnik an der Universität Kaiserslautern und machte später einen MBA an der German Graduate School of Business and Law in Heilbronn. © DLR