Einsatzmöglichkeiten von Hybrid-Oberleitungsbussen im Überlandverkehr

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Einsatzmöglichkeiten von

Hybrid-Oberleitungsbussen

im Überlandverkehr

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Professur für

Elektrische Bahnen

Planung und Betrieb elektrischer Verkehrssysteme

Energieerzeugung/ -übertragung Energieverteilung/ -zuführung Elektrisches Fahrzeug

Rückstromführung, Beeinflussung Fahrzeug- und Anlagenbetrieb

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Ausgangslage und Motivation

Reduktion von Treibhausgasemissionen im ÖPNV

Mindestanforderungen an zukünftige Beschaffungen von Nutzfahrzeugen in öffentlichen Verkehrsbetrieben (Gesetz über die Beschaffung sauberer Straßenfahrzeuge)

ÖPNV durch alternative Antriebe oder synthetische Kraftstoffe dekarbonisieren

„sauber“ _• Alternative Kraftstoffe: Strom, Wasserstoff, Biokraftstoffe, Erdgas, synthetische und parrafinhaltige Kraftstoffeoder Gas (CNG, LNG, LPG, Biomethan);

keine Vermischung mit fossilen Brennstoffen; Plug-In-Hybridbusse

„emissionsfrei“ _• Kein Verbrennungsmotor, oder

• Verbrennungsmotor(lokaler Ausstoß < 1 g CO₂/km bzw. 1 g CO₂/kWh)

Kriterium Erste Periode

[2. Aug. 2021 bis 31. Dez. 2025] Zweite Periode

[1. Jan. 2026 bis 31. Dez. 2030]

„sauber“ 45 Prozent der neu zu beschaffenden oder

geleasten Fahrzeuge 65 Prozent der neu zu beschaffenden oder geleasten Fahrzeuge

„emissionsfrei“ 22,5 Prozent sind mit einem emissionsfreien

Antrieb auszurüsten 32,5 Prozent sind mit einem emissionsfreien Antrieb auszurüsten

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Ausgangslage und Motivation

• Stadtbus- und Überlandbusverkehr haben sehr unterschiedliche Betriebsprofile

• Überlandverkehr muss in neue Antriebsstrategie eingeschlossen werden

• Stadtbuslinien und Überlandbusverkehr werden aktuell separat betrachtet

 Verknüpfung von Stadt- und Überlandverkehr als Chance betrachten

 Bussysteme gesamthaft denken

Strategie:

• Elektrifizierung der Antriebe ist immer ein Infrastruktur-Thema  Gesamtsystemansatz

• Stadtverkehr mit elektrischer Infrastruktur für stark befahrenen Linien als Rückgrat für Überlandverkehr

• Mehrnutzungseffekte für Überlandlinien durch vorhandene Infrastruktur

 Kann der Hybrid-Oberleitungsbus im Überlandverkehr sinnvoll eingesetzt werden?

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Das System O-Bus

Fahrleitungsnennspannung 600 V / 750 V DC mit zwei Fahrdrähten, strukturiert in einzelne Speiseabschnitte Energieversorgung der Speiseabschnitte durch

Gleichrichterunterwerk (GUW):

• Transformator

• Gleichrichter

• Sammelschiene und Streckenabgänge

• Kabel zum Einspeisepunkt Abschaltbar durch

• Leistungstrennschalter im GUW

• Abschalteinrichtung am Mast Besondere Elemente:

• Stangenstromabnehmer

• Schleifschuhe

• Eindrahteinrichtungen (Trichter)

• Fahrleitungsweichen

Richard Kayser Richard Kayser

Ursprung: Elektromote Werner von Siemens Heute: Moderne Fahrzeuge mit 250 … 320 kW Traktionsleistung durch Asynchronmotor

Elektrischer Gesamtwirkungsgrad des Systems: 70 … 90%

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Vom O-Bus zum HO-Bus

1901: Erster O-Busbetrieb in Königsstein (Sächsische Schweiz) ab 1930: Aufbau von O-Busnetzen in Deutschland in vielen Städten

1957: 68 gleichzeitig betriebene Systeme in Deutschland, stellt den Höhepunkt des O-Busses dar ab 1961: Rückgang von O-Busbetrieben

O-Busbetrieb nach 15 bis 25 Jahren in den meisten Städten wieder eingestellt

Hauptgründe für die Einführung: Geringere (Re-)Investitionskosten als bei Straßenbahnen, höhere Leistungsfähigkeit als Dieselbus

Hauptgründe für den Rückbau: Verbesserte Dieseltechnik,

billiger und unkomplizierter als Re-Investition in O-Busnetze Heute:

• nur noch 3 deutsche Netze in Betrieb: Eberswalde (BB), Esslingen (BW), Solingen (NRW)

• 90 Betriebe in Europa, ca. 4.850 O-Busse im Einsatz

• 185 Betriebe außerhalb Europas, ca. 20.000 O-Busse

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Vom O-Bus zum HO-Bus

Ab Mitte der 2000-er Jahre verbesserte Batterietechnik durch Li-Ionen Technologie, Nutzung als Hilfsantrieb Oberleitung ermöglicht die Nachladung während des Betriebs

2012: erster Hybrid Oberleitungsbus in Eberswalde durch Umbau

2019: Umstellung der Linie 695 auf BOB Betrieb in Solingen

bis 2024: Umrüstung des Esslinger Netzes auf HO- Busbetrieb

bb 2024: HO-Busbetrieb in Marburg (in Planung)

frühestens ab 2025: HO-Busbetrieb in Berlin-Spandau (in Planung)

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Einsatzgebiete für den HO-Busverkehr

Vorteile:

• Betrieb kann ohne Nachladepausen durchgeführt werden, dadurch weniger Reservefahrzeuge notwendig

• Fahrzeug- und Ladeleistung kann während des Fahrbetriebs bereitgestellt werden

• Verbesserte Ausnutzung der Infrastruktur

• Kleinere Batteriekapazitäten (Wirtschaftlichkeit)

• Einsatz auf energieintensiven Linien

• Reduzierung des Oberleitungsanteils auf 40 … 50 % (In Grenzfällen auf 25 … 30 %)

Herausforderungen:

• Hohe Anfangsinvestitionen für Infrastruktur und Fahrzeuge

• Benötigt stark ausgelastete Linien (Konkurrenz zur Straßenbahn)

• Höherer Planungsaufwand als bei anderen E-Bussystemen

Anzahl der Fahrzeug-km und Fahrzeugkosten als maßgebliche Faktoren

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Schlüsselindikatoren für die Wirtschaftlichkeit eines HO-Bussystems

1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00 2,10 2,20

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

Kosten (€/ Fzg-km)

Veränderungsfaktor (Basis = 1)

Frequency Speed under catenary Cost of Vehicle Length of Line

Share of infrastructure Energy demand electric bus Number of Turns and km per year Price of Batteries

Größter Einfluss: Fahrzeug-km auf der Linie

Großer Einfluss Fahrzeugkosten

Hohe Geschwindigkeit führt zu geringen Nachladezeiten und großen Batterien

Geringer Infrastrukturanteil führt zu großen Batterien

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Überlandverkehr: Zielkonflikte zwischen Technologie und Einsatzgebiet

HO-Bus im Überlandverkehr:

• Hohe Fahrzeugkosten durch aufwändige Fahrzeugkonstruktion und geringe Stückzahl

• Mehr Infrastruktur durch lange Umlauflängen

• Hohe Batteriekosten durch große Batterien

Hohe Anfangsinvestition können im Betrieb nicht amortisiert werden.

 Kein Einsatzgebiet für den HO-Busverkehr!

Unter welchen Umständen kann er trotzdem realisiert werden?

Ansatz: Kernnetz aufbauen und daraus weitere Linien elektrifizieren

Indikator Anforderung

Überlandverkehr Anforderung HO-Bus

Taktfrequenz - ++

Fahrleistung -- ++

Umlauflängen

und Fahrzeiten ++ +

Investitionskost-

en -- ++

Betriebskosten -- +

Der Überlandverkehr erfordert günstige Fahrzeuge, nahezu keine Infrastruktur und preiswerte Kraftstoffe mit hoher Energiedichte

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O-Busnetz Eberswalde

Landkreis Barnim: 190 Tsd. Einwohner (127 P/km²), positive Bevölkerungsentwicklung,

Eberswalde: nordöstliche Lage von Berlin, ca. 41.000 Einwohner, profitiert von Nähe und guter Verkehrsanbindung nach Berlin.

Betreiber: Barnimer Busgesellschaft mbH Länge des Netzes: 37,2 km

Energieversorgung: 3 GUWs (West, Mitte Ost) mit je 3 MVA Leistung und 56 km Kabeln

Anzahl der Linien: 2 (+1)

• 861: Nordend-Kleiner Stern

• 862: Ostend-Kleiner Stern

• Prospektiv 910: Südend-Finowfurt

Fahrzeugtakt unter der Oberleitung: 7,5 Minuten

Von 116 Bussen der BBG erzielen 12 Trolleybusse 43% der Gesamteinnahmen

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Ausbau des Netzes in Eberswalde Linie 910 Südend- Finowfurt

Linie verkehrt im 30 Minuten Takt

Umlauflänge 29,6 km, ca. 44% unter vorhandener OL-Anlage Nutzen und Umbau von vorhandenen O-Bussen in HO-Busse Wissenschaftliches Vorgehen:

• Erstellung einer Betriebssimulation

• Ermittlung des Energiebedarfs und Auslegung der Batterie unter Worst- Case Bedingungen

• Erstellung eines Netzsimulationsmodells für das vorhandene Netz und Validierung

• Erstellung eines Mengengerüsts der benötigten Fahrzeuge und Infrastruktur

• Vergleich mit Diesel und E-Busbetrieb

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Ergebnisse der Untersuchung

• Batteriekapazität von 118 kWh

• Durchschnittliche Ladeleistung von 147 kW

• Keine Überlastung der vorhandenen EV-Anlagen

• Bei Umbau günstiger als Dieselbetrieb (1,17 €/Fzg-km)

• Bei Neukauf günstiger als andere E-Busse (1,37 €/Fzg-km)

Sowohl technisch machbar und wirtschaftlich sinnvoll!

2000 400600 1.000800 1.200 1.400 1.600 1.800 2.000

11:29:59 11:59:59 12:29:59 12:59:59 13:29:59

Current [A]

Time

Busbar and Feeder Current, Eberswalde Stadtverkehr, U_L = 700 V

Substation GUW Mitte, Busbar OL_H_BB, 11:29:59 - 13:30:00

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HO-Busbetrieb auf der Linie 916

• Linienlänge von 24 km

• Führt durch Biosphärenreservat dort keine Elektrifizierung

• Nutzen von 3 km vorhandener Oberleitung und GUWs

• Neubau von ca. 7 km Oberleitung an das Eberswalder Netz, Elektrifizierung von Endhaltestellen (sonst nicht möglich)

• Neubau 3 GUW mit 500 kVA Leistung

• Machbarkeit

• Technisch mit Elektrifizierung von Endhaltestellen machbar

• 40,9 % Oberleitungsanteil

• Keine Überlastung von bestehenden EV- Anlagen

• 180 kWh Batterie

• Weitaus teurer als Diesel

• Günstiger als anderer elektrischer Betrieb

Technisch machbar, wirtschaftlicher als andere Elektrifizierungsvarianten

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Fazit zum Überlandverkehr mit HO-Bussen

• Durch das Gesetz über die Beschaffung sauberer Straßenfahrzeuge besteht die Notwendigkeit für Verkehrsbetriebe saubere und emissionsfreie Fahrzeuge zu beschaffen

• Unter normalen Umständen ist der Betrieb von Überlandbuslinien durch HO-Busse entweder technisch nicht möglich oder wirtschaftlich nicht sinnvoll

• Die Umstellung auf elektrische und alternative Antriebe erfordert ein Umdenken in Planung und Betrieb

• Durch den Aufbau eines städtischen Kernnetzes ist es möglich weitere Linien mit einzubeziehen

• Freie Kapazitäten von Oberleitungs- und Energieversorgungsinfrastruktur nutzen

• Bei Neuaufbau ist eine genaue Analyse des Netzes erforderlich, um vor der Errichtung des Netzes die möglichen Linien zu ermitteln, den Betrieb anzupassen und Infrastruktur richtig zu dimensionieren Unter den richtigen Umständen ist auch Überlandverkehr mit HO-Bussen möglich

Netzdenken fördern Stadt und Überlandverkehr gemeinsam denken!

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Exkurs: Weitere Verbesserungsmöglichkeiten der Wirtschaftlichkeit

• Förderprogramme für HO-Busse

• Nutzen von freien Fahrzeugkapazitäten am Wochenende Die Fahrzeuge müssen fahren

• Automatisches An- und Abdrahten während der Fahrt Weiterer Untersuchungsbedarf

• Kombinierter Nutzen von Oberleitungs- und Energieversorgungsanlagen für verschiedene Verkehrsträger

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Prof. Dr.-Ing. Arnd Stephan

Tel: +49 (0) 351 463-36730 Fax: +49 (0) 351 463-36825

E-Mail: EBahnen@mailbox.tu-dresden.de

Richard Kayser, M.Sc.

Tel:+49 (0) 351 463-36737

E-Mail: richard.kayser@tu-dresden.de Technische Universität Dresden

Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“

Institut für Bahnfahrzeuge und Bahntechnik Professur für Elektrische Bahnen

Hettnerstr. 1-3 01062 Dresden www.EBahnen.de

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Weiterführende Links

Clean Vehicle Directive (2019)

Abrufbar unter: https://ec.europa.eu/transport/themes/urban/clean-vehicles-directive_en Gesetz über die Beschaffung sauberer Straßenfahrzeuge (2021)

Abrufbar unter: https://www.bmvi.de/SharedDocs/DE/Artikel/G/clean-vehicles-directive.html Machbarkeitsstudie Berlin Spandau (2019)

Abrufbar unter: https://media.frag-den-staat.de/files/foi/461468/SchlussberichtBatterie-OberleitungsbusBerlin-Spandau230120.pdf?download UITP Knowledge Brief IMC (2021)

Abrufbar unter: https://cms.uitp.org/wp/wp-content/uploads/2021/07/Knowledge-Brief-IMC.pdf

MKS Studie Potenziale des Hybrid-Oberleitungsbusses als effiziente Möglichkeit für die Nutzung erneuerbarer Energien im ÖPNV (2015) Abrufbar unter: https://www.bmvi.de/SharedDocs/DE/Artikel/G/MKS/hybrid-oberleitungsbus.html

Allgemeine Informationen

Homepage EU Projekt „Trolley 2.0“: https://www.trolleymotion.eu/trolley2-0/

Informationen O-Bus Eberswalde: http://www.obus-ew.de/

Informationen BOB Solingen: https://www.bob-solingen.de/

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Richard Kayser Giantaras (YouTube)

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Fahrleitungskomponenten

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Arnd Bätzner

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