hybridbusse und speichertechnologien im praxistest eine
TRANSCRIPT
Hybridbusse und Speichertechnologien
im Praxistest – eine Zwischenbilanz
Dipl. Oec. Herbert König,
MVG Münchner Verkehrsgesellschaft
12. März. 2013
In Kürze: Die MVG
Hybridbusse und Speichertechnologien im Praxistest – eine Zwischenbilanz 2
• MVG: Das Verkehrsunternehmen der Landeshauptstadt München (LHM)
• U-Bahn, Bus und Tram in München (sowie diverse Nachbargemeinden)
• Im Rahmen des NVP der LHM plant, betreibt und finanziert die MVG ihr Angebot
• 87 Linien (U-Bahn: 7, Bus: 67, Tram: 13,) 628 km Streckenlänge, rund 1.200 Haltestellen
• Fahrzeugeinsatz HVZ (2013) U-Bahn: 482 Wagen, Bus: 382, Tram: 90 Züge
• Höchste Netz- und Angebotsdichte unter den großen deutschen Großstädten
• Gemeinschaftstarif im Münchner Verkehrs- und Tarifverbund (MVV)
• 2012: 536 Mio Fahrgäste (Zuwachs seit 2004: 21%)
• Umsatz 2012: ca. 409 Mio €
• Über 3000 Mitarbeiter + ca. 700 MA bei privaten Buspartnern
• Zweitgrößtes kommunales Verkehrsunternehmen (nach BVG)
Hybridbus-Vergleichstest: Unser Ansatz (I)
Hybridbusse und Speichertechnologien im Praxistest – eine Zwischenbilanz 3
• Ziel: Reduzierung der Abhängigkeit von fossilen Energieträgern beim Verkehrsmittel Bus
• Hybridtechnik kann ein (Übergangs-)weg sein
• Weitere erwünschte Effekte: Lärmreduzierung, Effizienzsteigerung, Entwicklungsschub
für leistungsfähige und ÖV-anwendungsgeeignete Speichertechnik sowie für
elektrische Antriebstechnik beim Bus
• Testziele:
• Prüfung der Tauglichkeit im alltäglichen Praxisbetrieb
• Optimierung im Alltagseinsatz
• Prüfkriterien:
• Verbrauchsentwicklung
• Verfügbarkeit
• Akzeptanz bei Fahrgast, Fahr- und Werkstattpersonal
• Weiteres Bewertungskriterium:
• Wirtschaftlichkeit
Hybridbusse und Speichertechnologien im Praxistest – eine Zwischenbilanz 4
Hybridbus-Vergleichstest: Unser Ansatz (II)
• Nahziel ist Verbrauchsreduzierung
• Testzweck: Objektivierter Vergleich verschiedener Hybridbuskonzepte
• Test soll als Entscheidungsgrundlage für die künftige Beschaffungsstrategie dienen
Hybridbusse und Speichertechnologien im Praxistest – eine Zwischenbilanz 5
Hybrid ist nicht gleich Hybrid: parallel versus seriell (I)
Paralleler / Leistungsverzweigter Hybrid:
• Es besteht eine mechanische Verbindung zwischen Antriebsachse und
Verbrennungsmotor
• Leistung des Verbrennungsmotors kann sowohl an die Antriebsachse als
auch an ein Speichermedium abgegeben werden
• Elektro- und Verbrennungsmotor wirken zusammen auf die Antriebsachse
• Bremsenergie wird rekuperiert und gespeichert
• Ohne weitere technische Komponenten (z.B. Zusatzkupplung) ist ein
emissionsfreies Fahren nicht möglich
• Evtl. „Downsizing“ möglich (= kleinerer Verbrennungsmotor)
Hybridbusse und Speichertechnologien im Praxistest – eine Zwischenbilanz 6
Hybrid ist nicht gleich Hybrid: parallel versus seriell (II)
Serieller Hybrid:
• Es besteht keine mechanische Verbindung zwischen Antriebsachse und
Verbrennungsmotor
• Aufgabe des Verbrennungsmotors ist nur der Antrieb eines Generators zur
Erzeugung des Fahrstromes
• Der Verbrennungsmotor arbeitet drehzahlunabhängig von der Fahr-
geschwindigkeit und befindet sich somit meistens im optimalen
Drehzahlbereich
• Bremsenergie wird rekuperiert und gespeichert
• Ein partiell emissionsfreies Fahren ist möglich (z.B. Anfahren)
Fahrzeuge im MVG-Test (I) - Gelenkbusse
Hybridbusse und Speichertechnologien im Praxistest – eine Zwischenbilanz 7
Solaris Urbino 18 Hybrid:
Einsatz seit August 2008 auf der MetroBuslinie 52
Laufleistung bisher: 213.133 km (31.01.2013)
Technische Daten:
Hubraum: 6,69 Liter
Leistung: 178 kW
Abgasnorm: Euro 5
Hybridantrieb: parallel
E- Antrieb: 2x 75 kW
Speichermedium: NiMH-Akkumulatoren
• Energiedichte: ~ 90 Wh/kg
• Lebensdauer: ca. 6-8 Jahre
Mercedes-Benz Citaro G Blue Tec Hybrid:
Einsatz seit April 2011 auf der MetroBuslinie 52
Laufleistung bisher: 87.480 km (31.01.2013)
Technische Daten:
Hubraum: 4,80 Liter
Leistung: 160 kW
Abgasnorm: EEV
Hybridantrieb: seriell
E- Antrieb: 4x 60 kW
Speichermedium: Li-Ion-Akkumulatoren
• Energiedichte: ~ 110 Wh/kg
• Lebensdauer: 8-10 Jahre
Fahrzeuge im MVG Test (II) - Solobusse
Hybridbusse und Speichertechnologien im Praxistest – eine Zwischenbilanz 8
MAN Lion‘s City Hybrid:
Einsatz seit November 2010 auf StadtBuslinie 132
Laufleistung bisher: 162.785 km (31.01.2013)
Technische Daten:
Hubraum: 6,90 Liter
Leistung: 184 kW
Abgasnorm: EEV
Hybridantrieb: seriell
E- Antrieb: 2x 75 kW
Speichermedium: Ultracaps
• Energiedichte: ~ 5 Wh/kg
• Lebensdauer: ca. 8-10 Jahre
Volvo 7700 Hybrid:
Einsatz seit April 2012 durch Koop.partner (Stadtgebiet)
Laufleistung bisher: 46.129 km (31.01.2013)
Technische Daten:
Hubraum: 4,76 Liter
Leistung: 158 kW
Abgasnorm: Euro 5
Hybridantrieb: parallel
E- Antrieb: 1x 70 kW
Speichermedium: Li-Ion-Akkumulatoren
• Energiedichte: 110 Wh/kg
• Lebensdauer: ca. 10-12 Jahre
23.04.2013 Hybridbusse und Speichertechnologien im Praxistest – eine Zwischenbilanz 9
MVG-Vergleichstest - Linienparameter
Linie MetroBus 52:
Linienlänge:
Marienplatz - Alemannenstraße:
5,142 km
Alemannenstraße - Marienplatz:
5,266 km
Durchschnittsgeschwindigkeit:
17,99 km/h
Anzahl Haltepunkte insgesamt: 32
Haltepunkte/km: 3,07
Durchschnittlicher Abstand zwischen den
Haltepunkten: 0,316 km
Linie StadtBus 132:
Linienlänge:
Rindermarkt - Forstenrieder Park:
13,420 km
Forstenrieder Park - Rindermarkt:
13,864 km
Durchschnittsgeschwindigkeit:
17,77 km/h
Anzahl Haltepunkte insgesamt: 68
Haltepunkte/km: 2,5
Durchschnittlicher Abstand zwischen
den Haltepunkten: 0,396 km
Ergebnisse aus dem Linienbetrieb (I) - Verbrauch
Hybridbusse und Speichertechnologien im Praxistest – eine Zwischenbilanz 10
Überblick: Durchschnittl. Kraftstoffverbräuche 2012 - Hybrid versus Diesel
Solaris Mercedes-Benz Volvo MAN
Hybrid
Dieselbus
Gelenkbusse Solobusse
Ergebnisse aus dem Linienbetrieb (I) - Verbrauch
Hybridbusse und Speichertechnologien im Praxistest – eine Zwischenbilanz 11
Mercedes-Benz Citaro Hybrid
Merced Citaro - Vergleichsbus
MAN Hybrid
MAN - Vergleichsbus (keineDaten für Juli vorhanden)
Kraftstoffverbräuche 2012 im Jahresverlauf - Serielle Typen versus Diesel
Hybridbusse und Speichertechnologien im Praxistest – eine Zwischenbilanz 12
Ergebnisse aus dem Linienbetrieb (II) - Eignung Speicher
Speichermedien:
• Ultracaps: geringere Energiedichte (~5 Wh/kg) – können aber anfallende Energie beim
Rekuperieren schnell aufnehmen und schnell wieder abgeben
• Akkumulatoren: hohe Energiedichte (~90-100 Wh/kg) – können aber Energie beim
Rekuperieren nur zum Teil bzw. langsamer aufnehmen (z. B. durch langsames Bremsen)
(bildlich gesprochen: man versucht aus einem Maßkrug eine Flasche Bier zu befüllen: das
meiste geht daneben)
Im Ergebnis zeigte sich:
• Optimal für das rein elektrische Anfahren sind Ultracaps
• Für eine Start-Stopp-Automatik sind Ultracaps oder gering dimensionierte Li-Ion-
Akkumulatoren zu nutzen
• Längere rein elektrische Fahrten sind nur mit Li-Ion-Akkumulatoren möglich
• NiMH-Akkumulatoren sind eine kostengünstige Alternative zu Li-Ion-Akkumulatoren
(haben aber höheres Gewicht und geringere Energiedichte)
Ergebnisse aus dem Linienbetrieb (II) - Eignung Speicher
Hybridbusse und Speichertechnologien im Praxistest – eine Zwischenbilanz 13
Unterschiedliche Betriebskonzepte und verschiedene Kombinationen aus Antrieb und
Speichermedium haben Auswirkungen auf die Kraftstoffeinsparungen
• Serieller Antrieb mit Li-Ionen Akkumulator: Möglichst langes rein elektrisches fahren
steht im Vordergrund, erzielt jedoch nur geringe Einsparungen
• Serieller Antrieb mit Ultracaps: Hohe Kraftstoffeinsparungen ergeben sich vor allem aus
dem rein elektrischen Anfahren bis maximal 35 km/h
• Paralleler Antrieb mit Li-Ionen Akkumulator: Hohe Kraftstoffeinsparungen werden zum
Teil durch ein fast stetiges reines elektrisches Anfahren bis 15 km/h (unabhängig von der
Beschleunigung) realisiert
• Paralleler Antrieb mit NiMh Akkumulator: Unterstützung des Verbrennungsmotors, ohne
ihn komplett abzustellen (keine Start-Stopp-Automatik); ist kostengünstiger, erzielt jedoch
geringe Kraftstoffeinsparungen
Hybridbusse und Speichertechnologien im Praxistest – eine Zwischenbilanz 14
Ergebnisse aus dem Linienbetrieb (III) - Technik
Verfügbarkeit und technische Stabilität:
• Die Hybridbusse weisen inzwischen eine Verfügbarkeit von 70 - 83 % auf
• Konventionelle Dieselbusse erreichen ~ 95 %
• Häufigste Ursachen für Störungen im Fahrbetrieb oder Standzeiten:
• Folgeprobleme im Bereich der Bremsanlage
• Unausgereifte Komponenten
• Defekte an Steckern und Sensoren im Bereich der Radnabenmotoren
• Defekt am Akkumulator (Komplettaustausch bei einem Fahrzeug)
• Generell lässt sich für alle Hybridfahrzeuge bisher eine schlechte Verfügbarkeit von
Ersatzteilen feststellen
Hybridbusse und Speichertechnologien im Praxistest – eine Zwischenbilanz 15
Ergebnisse aus dem Linienbetrieb (IV) - Fazit
• Die von den Herstellern prognostizierten Kraftstoffeinsparungen konnten bisher
nur von den beiden hybriden Solofahrzeugen erreicht werden
• Die notwendige Zusatzheizung in den Wintermonaten reduziert bei den
Gelenkbussen die Kraftstoffeinsparungen stark und führt teilweise sogar zu
erheblichen Mehrverbräuchen
• Auf Grund der häufigen Betriebsstörungen und daraus folgend schlechter
Verfügbarkeit sind die Fahrzeuge als Vorserienfahrzeuge zu betrachten
• Die Wahl des Speichermediums hängt vom Betriebskonzept des Hybridbusses ab
• Der rein elektrische Fahrbetrieb wird von den Fahrgästen als positiv empfunden
• Für die Werkstätten bedeutet der Betrieb von Hybridbussen ein Mehraufwand –
Schulung Personal, Anschaffung Dacharbeitsplatz und spezielles HV-Werkzeug
• Wirtschaftlichkeit ist bei hybriden Gelenkfahrzeugen derzeit (Einsparung zu
aktuellen Kraftstoffpreisen vs. Beschaffungmehrpreis) nicht zu erkennen
• Bei hybriden Solobussen erscheint eine vergleichbare Wirtschaftlichkeit zu
konventionellen Bussen möglich, sofern sie gleiche Laufleistungen erreichen.
Hybridbusse und Speichertechnologien im Praxistest – eine Zwischenbilanz 16
Und noch ein paar Beobachtungen und Hypothesen….
• Viele Erfolgsmeldungen / Versprechungen berücksichtigen Heizungsverbrauch nicht!
• Nutzen von effizienten Zwischenspeichern steigt mit der Häufigkeit von Brems- und
Anfahrvorgängen. Das heißt aber auch: Je mehr durch effiziente Linienbeschleunigung
die Brems- und Anfahrvorgänge reduziert werden, desto geringer die Treibstoffersparnis
gegenüber dem konventionellen Bus!
• Auch der konventionelle Verbrennungsmotor hat noch Effizienzsteigerungspotential;
wenn EURO VI-Busse und/oder neue Getriebe weniger Kraftstoff verbrauchen, sinkt
der (relative) Nutzen der Hybridtechnik.
• Das gilt auch beim Thema „verbrauchsarmes Fahren“ durch Fahrerschulung.
• Fokus Umwelt: Ein höherer Marktanteil des ÖPNV wirkt signifikant mehr als eine
weitere Verbesserung der Emissionsbilanz beim Linienbus. Wird aber der Bus teurer, ist
bei gleicher Finanzierungsbasis weniger ÖPNV möglich.
• Deshalb: Beim erreichten Stand der Bustechnik ist der beste Umweltbeitrag möglichst
viel finanzierbarer (und genutzter) ÖPNV durch möglichst wirtschaftlichen Busbetrieb!
• Die MVG wird daher derzeit Hybridbusse (noch ?) nicht in Serie beschaffen.
Tram mit Energiespeicher
Hybridbusse und Speichertechnologien im Praxistest – eine Zwischenbilanz 17
Anlaß: Planung Trambahnnordtangente Neuhausen – Schwabing – Bogenhausen;
hiervon vorhanden 6 km,
Bedarf Neubau (nur) 2 km;
Planfeststellungsverfahren
gescheitert wegen Widerspruch
Freistaat Bayern zu 1 km Teil-
Strecke durch Gartendenkmal
Englischer Garten
bisher Busstraße)!
Hauptablehnungsgrund: Fahrleitung und Masten würden Landschaftsbild beeinträchtigen
Tram mit Energiespeicher
Hybridbusse und Speichertechnologien im Praxistest – eine Zwischenbilanz 18
• MVG verfolgt die Planung weiter, da hoher verkehrlicher Nutzen, u. a.
• erhebliche Attraktivitätssteigerung ÖPNV durch Tangente
• erhebliche Entlastung radialer ÖPNV-Achsen
• Entlastung des Englischen Gartens von lokalen Verkehrsemissionen
• MVG-Konzept daher: Neuantrag mit 1 km fahrleitungsloser Strecke im Englischen
Garten
• Voraussetzung: Verfügbarkeit eines ausreichend leistungsfähigen und wirtschaftlichen
Energiespeichers
Lösung und Umsetzung
Hybridbusse und Speichertechnologien im Praxistest – eine Zwischenbilanz 19
Anforderungen der MVG an die Leistung des Speichers für Einsatzzweck:
• Ein 1 km langer Abschnitt mit leichtem Höhenunterschied soll zweimal mit 20
km/h Geschwindigkeit ohne Ladung zurückgelegt werden
• Dabei ist ein planmäßiger (Haltestelle) sowie ein weiterer ggf. betrieblich
notwendiger Stopp (inkl. jeweils Bremsen und Anfahren) einzuplanen
• Anschließend steht normalerweise eine Strecke von ca. 30 km (Umlauf) zur
Ladung unter Fahrdraht zur Verfügung (Ausreichende Restkapazität bei
Laufwegverkürzung muß gegeben sein)
• Fahrzeuggewicht: 40 t, Fahrgastkapazität 220 P
• Berücksichtigung der technisch möglichen Achslast
• Wirtschaftlichkeitsanforderung: Lebensdauer des Speichers min. 10-15 Jahre;
dies entspricht einer Zyklenzahl von überschlägig 90.000 bis 135.000 (bei 30
Einsätzen täglich an 300 Tagen/Jahr)
Lösung und Umsetzung
Hybridbusse und Speichertechnologien im Praxistest – eine Zwischenbilanz 20
Untersuchte Speichervarianten:
• Schwungradspeicher
• Herkömmliche Batterietechnik
• Supercaps
• Kombination Batterie + Supercaps
• Neu entwickelte Batterie
Lösung:
• Auf Basis der Anforderungen erwies sich eine neu entwickelte Lithium-Ionen-Batterie der
Fa I+ME Actia GmbH (240 Zellen, Energiedichte 93 Wh/kg) als besonders geeignet.
• Bei einem Gewicht von nur 380 kg erfüllt die neue Batterie die Einsatzanforderung mit
einer Entladetiefe auf nur 85 – 90 % ihrer Kapazität (somit ausreichend Störungsreserve)
• Bei vollständiger Entladung benötigt die Batterie 2 ½ Stunden, um ihre Kapazität von
rund 30 Ah zu erreichen (ca. 5 kWh werden für die Durchfahrt verbraucht, ca. 14 km,
bzw. 26 min bei 30 km/h werden für das Wiederaufladen benötigt)
• Erwartet wird daher im Anwendungsfall eine Lebensdauer von bis zu 20 Jahren!
Rekordfahrt am 25. Mai 2011
Hybridbusse und Speichertechnologien im Praxistest – eine Zwischenbilanz 21
Die Batterie wurde auf der Münchner Variobahn 2301 installiert;
ein entsprechendes Energiemanagement regelt die Fahrt bei abgesenktem Stromabnehmer
und die anschließende Wiederaufladung unter Fahrdraht
Um die Leistungsfähigkeit der neuen Batterie zu demonstrieren, absolvierte die Variobahn am
25. Mai 2011 auf einer Teststrecke in Velten (Brandenburg) vor zahlreichen Fachleuten und
Journalisten eine Rekordfahrt:
Bis zur vollständigen Entladung legte e
die Tram oberleitungsfrei und
ausschließlich mit Batteriestrom eine
Strecke von 18,96 km zurück
Damit hat sie einen Eintrag ins
Guiness-Buch der Rekorde erreicht!
Ergebnis
Hybridbusse und Speichertechnologien im Praxistest – eine Zwischenbilanz 22
• Die Rekordfahrt hat die Leistungsfähigkeit der Batterie bewiesen.
• Diese und die vorangegangenen Dauertests haben gezeigt:
• die Anforderungen der Streckencharakteristik für die Querung des Englischen
Gartens sind mit dieser Technik problemlos und dauerhaft zu bewältigen
• Ein stabiler Betrieb mit ausreichenden Reserven und ausreichender
Batterielebensdauer ist möglich
• Das stark reduzierte Gewicht der Batterie bei ausreichender Leistungsfähigkeit macht
eine Verwendbarkeit auch bei anderen Fahrzeugtypen wahrscheinlich
• Die MVG bereitet daher derzeit einen erneuten Planfeststellungsantrag für die
Nordtangente vor - nunmehr mit fahrdrahtlosem Betrieb im Englischen Garten.
• Parallel läuft derzeit das Zulassungsverfahren für das Fahrzeug.
Hybridbusse und Speichertechnologien im Praxistest – eine Zwischenbilanz 23
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!