konzept zur einführung e-bus in Öpnv 2015-03-10 filesperrvermerk vertraulichkeit der vorliegende...
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Fachhochschule Flensburg
Projekt eMOTION
Autor: Jens Schröder, B.Eng. Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. J. Berg Stand: 10.03.2015
Konzept zur Einführung elektrischer Busse in den
bestehenden öffentlichen Personennahverkehr
Sperrvermerk
Vertraulichkeit
Der vorliegende Inhalt dieses Dokuments ist vertraulich und darf ohne Zustimmung nicht an Dritte weitergegeben werden.
Abbildungsverzeichnis
Seite I
Inhaltsverzeichnis
INHALTSVERZEICHNIS ................................ ........................................................................ I
ABBILDUNGSVERZEICHNIS ............................. ..................................................................III
TABELLENVERZEICHNIS ............................... ................................................................... IV
ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ............................. ............................................................... IV
1 EINLEITUNG – AUF EINEN BLICK ...................... ........................................................ 1
2 BEGRIFFLICHKEITEN UND DEFINITIONEN ................ ............................................... 2
2.1 Batteriebus / E-Bus ................................................................................................................ 2
2.2 Nachtlader / Volllader ............................................................................................................. 2
2.3 Gelegenheitslader .................................................................................................................. 2
2.4 Hochenergie-/Hochleistungs-Batterie .................................................................................... 3
2.5 Nutzbare Batteriekapazität ..................................................................................................... 3
2.6 Batteriezyklen ......................................................................................................................... 4
2.7 Batterielebensdauer ............................................................................................................... 4
2.8 C-Rate .................................................................................................................................... 4
2.9 Antriebswirkungsgrad ............................................................................................................. 5
2.10 Rekuperationswirkungsgrad ................................................................................................... 5
3 TECHNISCHE AUSLEGUNG .............................. .......................................................... 6
3.1 Strecken & Umlaufanalyse ..................................................................................................... 6
3.1.1 Aufnahme aller betriebenen Strecken ............................................................................................ 7
3.1.2 Erzeugung digitaler Streckenprofile ................................................................................................ 7
3.1.3 Halte- und Geschwindigkeitsprofil .................................................................................................. 8
3.1.4 Umlaufanalyse ................................................................................................................................. 8
3.2 Energieberechnung und Antriebsauslegung .......................................................................... 9
3.2.1 Energieverbrauch pro Strecke ....................................................................................................... 11
3.2.2 Energieverbrauch pro Umlauf ....................................................................................................... 12
3.2.3 Antriebsauslegung ......................................................................................................................... 12
3.3 Systemauslegung und Optimierung ..................................................................................... 14
3.3.1 Batteriegröße ................................................................................................................................ 14
3.3.2 Ladeinfrastruktur........................................................................................................................... 15
3.3.3 Systemoptimierung ....................................................................................................................... 16
4 WIRTSCHAFTLICHKEITSBETRACHTUNG .................... ............................................18
4.1 Eingangsparameter und Einflussfaktoren ............................................................................ 19
4.1.1 Durchschnittsverbrauch E-Bus ...................................................................................................... 20
4.1.2 Wartungskosten pro Kilometer ..................................................................................................... 21
Abbildungsverzeichnis
Seite II
4.1.3 Kapazität der Batterie und Anzahl der Ladezyklen........................................................................ 21
4.1.4 Dieselpreis-/Strompreis-/Batteriepreisentwicklung ..................................................................... 21
4.2 Ergebnisse TCO Berechnung .............................................................................................. 23
5 FAZIT ...........................................................................................................................26
QUELLENVERZEICHNIS ................................ ....................................................................28
Abbildungsverzeichnis
Seite III
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 2.1 Eigenschaften Lithium-Eisen-Phosphat [BAT14] ............................................ 3
Abbildung 2.2 Eigenschaften Lithium-Titanat ......................................................................... 3
Abbildung 2.3 Zyklenfestigkeit in Abhängigkeit des Lade-/Entladerate [WOD14] ................... 5
Abbildung 3.1 Ablauf technische Auslegung .......................................................................... 6
Abbildung 3.2 Streckenführung der Linie 3 der Sylter Verkehrsgesellschaft (SVG) ............... 7
Abbildung 3.3 Strecken Höhenprofil (3D) .............................................................................. 8
Abbildung 3.4 Steigungsprofil Flensburg Linie 1 (2D) ............................................................ 8
Abbildung 3.5 Übersicht Management Tool Energie .............................................................10
Abbildung 3.6 Energieverbrauch Antrieb im Streckenverlauf ................................................11
Abbildung 3.7 Batterieladezustand im Laufe eines Umlaufs vor Systemoptimierung ............12
Abbildung 3.8 Notwendiges Antriebsdrehmoment bei unterschiedlichem Gesamtgewicht ....13
Abbildung 3.9 Notwendige Antriebsleistung bei 29 t Gesamtgewicht ....................................13
Abbildung 3.10 Batterieladezustand im Laufe eines Umlaufs bei unterschiedlichen
Batteriekapazitäten ...............................................................................................................14
Abbildung 3.11 Depotladestation [EUR14] ............................................................................15
Abbildung 3.12 Schnellladestation mit Pantograph [SIE14] ..................................................15
Abbildung 3.13 Zyklenfestigkeit in Abhängigkeit der Entladetiefe [SAU14] ...........................17
Abbildung 3.14 Darstellung des Batterieladezustands eines Umlaufs nach
Systemoptimierung ...............................................................................................................18
Abbildung 3.15 Vergleich zwischen verfügbarer und tatsächlicher Ladezeit .........................18
Abbildung 4.1 Eingabemaske TCO.......................................................................................20
Abbildung 4.2 Preisentwicklung Diesel Basis 1,19 € .............................................................22
Abbildung 4.3 Preisentwicklung Strom Basis ~0,20 € ...........................................................22
Abbildung 4.4 Lithium-Ionen Zellpreisentwicklung [SAU14] ..................................................23
Abbildung 4.5 Ergebnisse TCO Berechnung ........................................................................24
Abbildung 4.6 Kostengegenüberstellung E-Bus vs. Diesel pro Betriebsjahr..........................24
Abbildung 4.7 Gegenüberstellung Gesamtkosten E-Bus vs. Diesel ......................................25
Abbildung 5.1 Einsparungspotenziale E-Bus (Energiekosten & CO2) [IZU15], [UBA15] .......27
Abbildungsverzeichnis
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Tabellenverzeichnis
Tabelle 3.1 Auszug tabellarisch umgesetzter Fahrzeugumlauf .............................................. 9
Tabelle 3.2 Positionen und nutzbare Wartezeiten zur Schnellladung ....................................16
Abkürzungsverzeichnis
2D Zweidimensional
3D Dreidimensional
A-Fahrt Aussetzfahrt
B-Fahrt Betriebsfahrt
BMS Batterie Management System
cw Luftwiderstandsbeiwert
crhaft Haftreibungsbeiwert
crroll Rollreibungsbeiwert
DOD Depth of Discharge (Entladetiefe)
∅������� Durchschnittsverbrauch bezogen auf das Stromnetz
∅������ � Durchschnittsverbrauch bezogen auf Fahrzeugantrieb
EEG Erneuerbare Energien Gesetz
E-Fahrt Einsetzfahrt
EU Europäische Union
IPV Individueller Personenverkehr
��� � Antriebswirkungsgrad
����� Batteriewirkungsgrad
�������� Ladewirkungsgrad
����� Elektronikwirkungsgrad
������ Motorwirkungsgrad
����� Getriebewirkungsgrad
������ Rekuperationswirkungsgrad
���� Generatorwirkungsgrad
ÖPNV Öffentlicher Personennahverkehr
SOC State of Charge (Ladezustand)
SVG Sylter Verkehrsbetriebe
TCO Total Cost of Ownership (Gesamtbetriebskosten)
VDV Verband Deutscher Verkehrsunternehmen
1 Einleitung – Auf einen Blick
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1 Einleitung – Auf einen Blick
Die flächendeckende Einführung der Elektromobilität als Mobilitätskonzept der Zukunft wird
durch die Bundesregierung als eines ihrer vorrangigen Ziele zur Erreichung zukünftiger Kli-
maschutzziele forciert. Hierbei denken die meisten Menschen jedoch nur an die Einführung
von Elektrofahrzeugen in den individuellen Personenverkehr (IPV) und die damit verbunde-
nen wirtschaftlichen und technischen Implikationen.
Grundsätzlich eignen sich zur Umstellung auf elektrische Antriebe viel besser solche Fahr-
zeuge, welche eine hohe Kilometerlaufleistung pro Jahr in Verbindung mit sehr hohem Ge-
wicht haben, da hier die Vorteile des höheren Antriebswirkungsgrads und damit der geringe-
re Energieverbrauch des Motors in Verbindung mit der höheren Energierückgewinnung we-
sentlich stärker zum Tragen kommen. Alles spricht daher für die Einführung von zum Bei-
spiel Elektrobussen in den öffentlichen Personennahverkehr (ÖPNV) der Zukunft. Sie sind
schwer, täglich sehr lange unterwegs und fahren zwischen 50.000 und 100.000 Kilometer
pro Jahr, wodurch sie sich ausgezeichnet eignen die Elektromobilität zu fördern und mit Ein-
sparpotenzialen von über 50 Litern Kraftstoff pro Kilometer den CO2-Ausstoss des Verkehrs
zu senken [ZIE12]. Elektrische Antriebe im ÖPNV verbessern die lokale Luftqualität in den
Städten zusätzlich, da Dieselbusse im Wesentlichen für innerörtliche Feinstaubemissionen
verantwortlich sind [MÜL14]. Betrachtet man im Weiteren auch noch die mit dem ÖPNV ver-
bundene Lärmbelästigung so haben durchgeführte Vergleichsmessungen zwischen einem
Elektrobus1 und dessen Dieselpendant neuester Generation2 ergeben, dass der Elektrobus
bei Verlassen der Haltestelle mehr als 16 dB(A)3 und bei Vorbeifahrt 8 dB(A) leiser war. So-
mit trägt die Einführung elektrischer Busse auch wesentlich zur Verringerung des innerörtli-
chen Lärmpegels bei.
Aus diesem Grunde hat auch die Landesregierung Schleswig-Holstein in seinem Elektromo-
bilitätskonzept aus dem September 2014 die Weiterentwicklung und Umsetzung innovativer
elektrischer Antriebe und Verkehrskonzepte hervorgehoben [MIN14], zu denen auch die Ein-
führung von rein elektrisch betriebenen Bussen gehört.
Die Fragen welche sich jedoch Kommunen und Betreiber stellen sind: „Wie ist dies zu reali-
sieren?“, „Was muss beachtet werden?“ und „Wieviel kostet es den Steuerzahler?“. Diesen
Fragen sind wir im Rahmen des Projektes „eMOTION/Smart Grids“ im Detail nachgegangen
1 Solobus von Ebus-Europa 2 Solobus Euro 6 Abgasnorm, neu 3 10 dB(A) Unterschied entspricht etwa der Verdopplung der subjektiv empfundenen Lautstärke [BMU14]
2 Begrifflichkeiten und Definitionen
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und haben daraus nachfolgendes Konzept entwickelt, welches einer erfolgreichen Einfüh-
rung der Elektromobilität in den ÖPNV der Zukunft den Boden bereiten soll.
2 Begrifflichkeiten und Definitionen
Da das Thema der Elektromobilität für viele Menschen neu ist, sollen an dieser Stelle zual-
lererst einige Begriffe und Definition aufgeführt werden, um das Verständnis des nachfolgen-
den Konzeptes zu erleichtern.
2.1 Batteriebus / E-Bus
Das Konzept beschäftigt sich mit der Einführung von rein elektrisch angetrieben Bussen, im
weiteren Batteriebus oder E-Bus genannt. Hierbei gleichen die Fahrzeuge rein äußerlich den
zurzeit im ÖPNV eingesetzten Bussen, verfügen jedoch über keinen Verbrennungsmotor
sondern werden rein elektrisch angetrieben womit sie lokal emissionsfrei fahren. Als Ener-
giespeicher dient eine wieder aufladbare Batterie, welche aufgrund ihres modularen Aufbaus
in Ihrer Kapazität skalierbar ist. Batteriebusse können entweder als Nachtlader oder Gele-
genheitslader betrieben werden.
2.2 Nachtlader / Volllader
Batteriebusse deren Akkumulatoren lediglich im eigenen Depot geladen werden bezeichnet
man als Nachtlader oder Volllader. Abweichend zu ihrer Bezeichnung können diese natürlich
auch tagsüber geladen werden, jedoch findet die Ladung der Batterie immer nur an der La-
destation im eigenen Betriebshof statt.
2.3 Gelegenheitslader
Wie die Bezeichnung erahnen lässt wird die Batterie hierbei nicht nur im eigenen Depot,
sondern bei Gelegenheit auch an Ladestationen im öffentlichen Raum während des tägli-
chen Betriebs nachgeladen. Diese sind meist als Schnelladestationen mit Anschlussleistun-
gen zwischen 100 und 400 kW ausgelegt, um in relativ kurzer Zeit viel Energie zu übertra-
gen. Die Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen Ladestation und Fahrzeug erfolgt
hier meist voll automatisch. Die Energieübertragung wird entweder konduktiv, durch direkte
mechanische Verbindung (Stecker, Pantograph), oder induktive, kontaktlos per Magnetfeld
[WIK14], durchgeführt.
2 Begrifflichkeiten und Definitionen
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2.4 Hochenergie-/Hochleistungs-Batterie
Stand der heutigen Technik ist der Einsatz von Lithium-Ionen Batterien in der Elektromobili-
tät. Dies ist jedoch nur der Oberbegriff für diesen Batterietyp und es existiert eine Zahl von
Untertypen, welche sich durch ihre Elektrodenmaterialien und Elektrolyte4 unterscheiden und
ihnen hierdurch unterschiedliche Eigenschaften verleihen. Dies führt unter anderem zur Ein-
stufung der Batterien in Hochenergie- und Hochleistungs-Typen. Eine Lithium-Ionen Hoch-
energie-Batterie (z.B. Lithium-Eisen-Phosphate) verfügt wie der Name schon sagt über eine
relativ hohe Energiedichte von 140 Wh/kg oder mehr, kann aber aufgrund ihrer geringeren
Leistungsdichte weniger Leistung aufnehmen oder abgeben. Hochleistungs-Batterien (z.B.
Lithium-Titanat) hingegen verfügen über eine sehr hohe Leistungsdichte, wodurch sie mit
sehr hohen Strömen geladen und auch entladen werden können. Ihr Nachteil ist eine we-
sentliche geringere Energiedichte von etwa 70-80 Wh/kg und ihr gegenüber der Hochenergie
Variante höherer Preis [VEZ12]. Je nach Anwendung ist bei der Systemauslegung auf die
korrekte Wahl der Batterietechnologie zu achten. Die Vergleichskriterien werden in der Regel
grafisch dargestellt. Abbildung 2.1 & Abbildung 2.2 zeigen diese beispielhaft für die zuvor
beschriebenen Batterietechnologien.
Abbildung 2.1 Eigenschaften
Lithium-Eisen-Phosphat [BAT14]
Abbildung 2.2 Eigenschaften Lithium-Titanat
2.5 Nutzbare Batteriekapazität
Bei Gesprächen mit Herstellern für Lithium-Ionen Batterien wurde festgestellt, dass diese
zusätzliche zum notwendigen Schutz vor Tiefentladung5, welche die Batterie dauerhaft zer-
stören würde, einen weiteren Puffer im unteren Ladezustandsbereich der Batterie durch das
Batterie Management System (BMS) einbauen. Dies erfolgt da eine Entladung der Batterie
4 Ionen leitende Lösungsmittel zwischen den Elektroden 5 Bei Erreichen einer festen Batteriespannung wird die Weitere Entladung der Batterie unterbunden
2 Begrifflichkeiten und Definitionen
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unter einen Batterietyp abhängigen Schwellwert (z.B. 20 %) die Alterung der Batterie be-
schleunigen würde. Diese durch Software eingebaute zusätzliche Schwelle verhindert somit
aber auch die Nutzung der in diesem Pufferbereich befindlichen Energie und reduziert die für
den Fahrzeugbetrieb verfügbare Energie. Aus diesem Grund wird hier der Begriff „Nutzbare
Batteriekapazität“ eingeführt.
2.6 Batteriezyklen
Die Gewährleistung der Batterie wird von Herstellern in Form von Zyklen angegeben. Hierbei
unterscheidet man zwischen Voll- und Teilzyklen. Ein Vollzyklus beschreibt die Entladung
der nutzbaren Kapazität sowie nachfolgende Aufladung auf 100 %. Als Teilzyklus bezeichnet
man eine nur teilweise Entladung der Batterie mit anschließender Wiederaufladung6. Die
Gewährleistung bezieht sich immer auf Vollzyklen, wobei z.B. 4 Teilzyklen a 25 % in Summe
einen Vollzyklus ergeben [KMÖ12].
2.7 Batterielebensdauer
Die Batterie verliert im Laufe ihrer Nutzung an Leistungsfähigkeit und Kapazität durch ther-
mische, mechanische und chemische Abnutzung. Hierbei unterscheidet man zwischen ka-
lendarischer Alterung und Zyklenfestigkeit. Die kalendarische Alterung hängt im Wesentli-
chen von der Umgebungstemperatur und natürlich der Zeit seit der ersten Inbetriebnahme,
sprich dem Alter, ab. Die Zyklenfestigkeit wird hingegen in hohem Maße durch die Lade- und
Entladeströmen, die Entladetiefe (DOD) sowie die Batterieinnentemperatur beeinflusst
[KMÖ12]. Die Zyklenfestigkeit beschreibt weiter die Anzahl an Vollzyklen bis zum Erreichen
einer Speicherfähigkeit von 80 % der Nennkapazität [WOD14].
2.8 C-Rate
Die Lade- und Entladeströme einer Batterie werden als vielfaches der C-Rate angegeben.
Hierbei entspricht 1 C jenem Strom, bei welchem eine volle Batteriezelle in einer Stunde-
komplett entladen wird [SHU09]. Hochleistungsbatterien können mit bis zu 10 C problemlos
entladen werden und verfügen über sehr gute Schnellladeeigenschaften [BAT15]. Hingegen
wirken sich hohe Lade- (>1 C) und Entladeströme negativ auf die Alterung der Batterie aus
[WOD14]. Abbildung 2.3 zeigt grafisch den Einfluss unterschiedlich hoher Lade- und Entla-
deströme.
6 Nicht zwingend auf 100 %
2 Begrifflichkeiten und Definitionen
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Abbildung 2.3 Zyklenfestigkeit in Abhängigkeit des Lade-/Entladerate [WOD14]
2.9 Antriebswirkungsgrad
Der Antriebswirkungsgrad (��� �) beschreibt wieviel Prozent der in unserem Falle elektri-
schen Leistung in mechanische Leistung am Rad umgewandelt wird. Innerhalb dieses Do-
kuments versteht sich dieser von der Batterie bis zum Rad. Die Berechnung hierzu ist For-
mel (2.1) zu entnehmen.
��� � ������ ∗ ����� ∗ ������ ∗ ����� (2.1)
2.10 Rekuperationswirkungsgrad
Dieser Wirkungsgrad beschreibt in der Elektromobilität wieviel der beim Verzögerungsvor-
gang freiwerdenden Bremsenergie in Form von mechanischer Leistung am Rad wieder als
elektrische Leistung der Batterie zurückgeführt wird. Der hier verwendete Rekuperationswir-
kungsgrad7 bezieht sich vom Rad bis in die Batterie, wobei die während der Fahrzeugverzö-
gerung freiwerdende kinetische und ggf. potentielle Energie berücksichtigt wird. Diese Ener-
gierückgewinnung unterliegt der gleichen Verlustkette wie der Antriebswirkungsgrad nur in
umgekehrter Reihenfolge. Siehe hierzu Formel (2.2).
������ ������ ∗ ���������� ∗ ����� ∗����� (2.2)
7 Als Rekuperation bezeichnet man Verfahren zur Rückgewinnung von Energie, welche ansonsten verloren ginge [RPL14]
3 Technische Auslegung
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3 Technische Auslegung
Um einen E-Bus erfolgreich in ein bestehendes Betriebskonzept zu integrieren besteht die
Notwendigkeit zur detaillierten technischen Auslegung dieses Fahrzeugs inklusive der heirfür
notwendigen Ladeinfrastruktur. Hierbei müssen vorab viele Fragen über die gewünschten
Fahrzeugeinsatzbedingungen bis hin zur notwendigen Batteriegröße und Anschlussleistung
der Ladestation geklärt werden. Sind diese Fragen im Vorfeld nicht geklärt, so steigen die
Chancen auf Misserfolg bei der Einführung erheblich. Der Auslegungsablauf unterteilt sich
hierbei wie in Abbildung 3.1 dargestellt in drei Hauptabschnitte.
Abbildung 3.1 Ablauf technische Auslegung
Diese drei Abschnitte, welche den Kern des Konzeptes ausmachen, werden im Weiteren im Detail beschrieben.
3.1 Strecken & Umlaufanalyse
Zu Beginn einer jeden Machbarkeitsanalyse werden gemeinsam mit dem für den ÖPNV be-
auftragten Betreiber alle von diesem betriebenen Strecken sowie die hieraus resultierenden
Fahrzeugumläufe aufgenommen und auf deren grundsätzliche Eignung zur Elektrifizierung
geprüft. Diese Analyse dient der nachfolgenden Energieberechnung der ausgewählten Stre-
cken und Umläufe, wobei an den bestehenden Einsatz- und Fahrplänen wenn möglich nichts
geändert werden soll. Ziel ist es den E-Bus in den bestehenden Fuhrpark zu integrieren und
nicht umgekehrt.
3 Technische Auslegung
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3.1.1 Aufnahme aller betriebenen Strecken
Gemeinsam mit dem für die Betriebsplanung und Durchführung verantwortlichen Personal
werden sämtliche Fahrzeugumläufe des Betreibers, sowie die von diesem verantworteten
Strecken/Linien aufgenommen. Für das Streckenprofil müssen von diesem die genauen
Streckenverläufe, dargestellt in einer Karte (Streckenbeispiel siehe Abbildung 3.2), inklusive
der Leerfahrten vom und zum Einsatzpunkt der Linie bereitgestellt werden. Zusätzlich wer-
den die Positionen aller auf den Linien liegenden Bushaltestellen, eingezeichnet in die Kar-
ten oder als geographische Koordinaten, für die spätere Energiebilanzierung benötigt. Diese
Daten müssen vom Betreiber möglicherweise erst erstellt werden.
Abbildung 3.2 Streckenführung der Linie 3 der Sylter Verkehrsgesellschaft (SVG)
3.1.2 Erzeugung digitaler Streckenprofile
Anhand des bereitgestellten Kartenmaterials werden nun digitale Streckenverläufe und deren Höhenprofile erzeugt. Aus den gefilterten absoluten Höhenprofilen werden im weiteren Ver-lauf Steigungsprofile der Strecken erstellt, welche zur Berechnung der durch den Bus zu überwindenden Kräfte am Hang benötigt werden. Das Ergebnis dieser digitalen Streckenpro-file ist beispielhaft in Abbildung 3.3 & Abbildung 3.4 dargestellt.
3 Technische Auslegung
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Abbildung 3.3 Strecken Höhenprofil (3D)
Abbildung 3.4 Steigungsprofil Flensburg Linie 1 (2D)
3.1.3 Halte- und Geschwindigkeitsprofil
Zusätzlich zu den digitalen Streckenprofilen wird anhand des bereitgestellten Materials ein
digitales Haltestellen- und Geschwindigkeitsprofil erzeugt, welches das Fahrzeug in der Si-
mulation später abfährt. Hierbei wird davon ausgegangen, dass der Bus an jeder Haltestelle
stoppt, jede Ampel rot ist und bei jedem Abbiegen gehalten werden muss, da dies den ener-
getisch schlimmsten Fall reflektiert. Bezüglich der Geschwindigkeiten werden die jeweiligen
Punkte ermittelt an welchen sich Geschwindigkeitsbegrenzungen ändern. Alle Angaben wer-
den hierbei als Entfernung in Relation zum Streckenbeginn entlang dieser definiert.
3.1.4 Umlaufanalyse
Fahrzeugumläufe definieren sich als die Summe aller gefahrenen Strecken vom Verlassen
des Depots bis zur abendlichen Rückkehr des Busses auf den Betriebshof. Hierzu zählen
3 Technische Auslegung
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Einsetzfahrt8, Aussetztfahrt9 sowie notwendige Betriebsfahrten10 ebenso, wie sämtliche Lini-
enfahrten des Tages. Die Fahrten werden mit Abfahrts-, Ankunftszeiten und Positionen so-
wie Streckenlängen umgesetzt11. Ein Beispiel hierfür ist in Tabelle 3.1 dargestellt.
Tabelle 3.1 Auszug tabellarisch umgesetzter Fahrzeu gumlauf
An dieser Stelle erfolgt die Erste Vorauswahl über die Eignung eines Umlaufs für den Betrieb
mit E-Bussen. Hierbei wird grob unterschieden zwischen Eignung für Nachtlader, Gelegen-
heitslader oder einer wahrscheinlichen Nichteignung. Entscheidungskriterien sind Fahrzeug-
typ12, Gesamtlänge des Umlaufs sowie bestehende Wartezeiten. Grundsätzlich wird bei Ge-
legenheitsladung die Ladung der Batterie entlang der Strecken nicht in Erwägung gezogen,
sondern nur die Möglichkeiten zur Nachladung an den Endhaltepunkten der Linien berück-
sichtigt. Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass fehlende Wendezeiten an den Endhaltestel-
len zu einer Nichteignung als Gelegenheitslader führen.
3.2 Energieberechnung und Antriebsauslegung
Einer der Kernbereiche bei der Einführung von E-Bussen in den ÖPNV ist die korrekte Ab-
schätzung des für den täglichen Betrieb notwendigen Energievorrats. Anders als bei Diesel-
fahrzeugen ist die Mitführung des drei bis vierfachen der benötigten Energiemenge keine
Option, da aufgrund der begrenzten Zuladung des Busses dann nur noch Batterien befördert
würden. Auch schnelles Nachtanken ist nur bedingt möglich. Zwar können an Schnelladesta-
tionen mit Leistungen von 200-400 kW in 15 Minuten Reichweitenverlängerung von ca. 30-
8 Leerfahrt vom Betriebshof zum Beginn der Linie 9 Leerfahrt vom Endpunkt der Linie zurück zum Betriebshof 10 Durch Linienwechsel notwendige Leerfahrten zischen Endpunkt einer Linie zum Anfangspunkt der nächsten 11 Streckenlänge wird an anderer Stelle der Tabelle eingegeben 12 Midi-, Solo- oder Gelenkbus
3 Technische Auslegung
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60 km erreicht werden, genau diese Option wird bei Gelegenheitsladern auch genutzt, je-
doch muss das notwendige Netzwerk an Ladestationen ähnlich wie beim IPV hierzu erst
aufgebaut werden. Die Frage wer die hiermit verbundenen Kosten trägt, sowie Wartung und
Instandsetzung verantwortet, ist hierbei zusätzlich zu klären. Grundsätzlich ist die Nutzung
der Nachlademöglichkeit an den Endpunkten der Linien aber durchaus eine valide Option
und Teil dieses Konzeptes.
Um die notwendigen Energiebilanzen eines E-Busses zu erstellen gibt es zwei Optionen.
Einerseits kann der Betreiber für einen gewissen Zeitraum ein Fahrzeug zu Testzwecken
beim Hersteller mieten oder darauf hoffen, dass dieser dem Interessenten ein Fahrzeug so-
gar kostenlos zur Verfügung stellt. Da Batteriebusse jedoch einerseits bei weitem noch nicht
so weit verbreitet sind, dass jedem Interessenten ein Fahrzeug für dessen Eignungsprüfung
überlassen werden könnte, andererseits die anfallenden Mietkosten nicht unerheblich sind,
ist der Testbetrieb meist keine Option. Die zweite und meist auch kostengünstigere Möglich-
keit ist durch Simulation des geplanten Betriebes die notwendigen Daten zur Energiebilan-
zierung und damit Systemauslegung zu generieren. Diese Variante wird in diesem Konzept
verfolgt.
Eigens zu diesem Zweck wurde im Rahmen des Projektes „eMOTION/Smart Grids“ in Ko-
operation mit dem Interreg 4A Projekt „Emerging Attraction“ ein Energie Management Tool
entwickelt (siehe Abbildung 3.5) was auf der Simulationsumgebung Simplorer der Firma An-
sys basiert. Über die genaue Funktionsweise dieses Tools soll hier nicht weiter eingegangen
werden. Jedoch sei erwähnt, dass es die notwendige Energie zur Bewältigung einer beliebi-
gen Strecke über die hierfür aufzubringenden Kräfte13 berechnet [GLÄ14].
Abbildung 3.5 Übersicht Management Tool Energie [GLÄ 14]
13 Setzen sich aus Antriebskräften sowie zu überwindenden Widerstandskräften zusammen
3 Technische Auslegung
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3.2.1 Energieverbrauch pro Strecke
Der Energieverbrauch zum Vortrieb des Busses pro Strecke hängt im Wesentlichen von der
Linientopographie (siehe 3.1.2), den Fahrzeugeigenschaften und dem zugehörigen Halte-
und Geschwindigkeitsprofil (siehe 3.1.3) ab. Die einflussnehmenden Fahrzeugeigenschaften,
welche unter anderem als Parameter im Energie Management Tool berücksichtigt werden,
sind nachfolgend aufgeführt.
• Fahrzeuggesamtgewicht / Zuladung • Beschleunigung • Frontfläche • Luftwiderstandsbeiwert (cw) • Haftreibungsbeiwert (crhaft) • Rollreibungsbeiwert (crroll) • Massefaktor • Antriebswirkungsgrad (ηDrive) • Rekuperationswirkungsgrad (ηRecup)
Weiterhin können im Energiemanagement Tool wetterbedingte Windeinflüsse berücksichtigt werden. Abbildung 3.6 zeigt den Energieverbrauch des Antriebs entlang einer vorgegebenen Strecke.
Abbildung 3.6 Energieverbrauch Antrieb im Streckenver lauf
Neben der für den Fahrzeugantrieb benötigten Energie, muss zusätzlich die notwendige Energie zum Betrieb der Nebenantriebe (Kompressor, Pumpen, Licht, Elektronik, etc.) sowie zur Klimatisierung des Fahrzeugs ermittelt werden. Da diese Verbraucher zumindest teilwei-se auch bei Stillstand des Fahrzeugs aktiv sind, werden deren Verbräuche über die Fahrzeit des Busses ermittelt und zur Traktionsenergie addiert. Hierbei werden Energieberechnungen mit und ohne eingeschalteter Heizung / Klimaanlage durchgeführt, wodurch der Fahrzeugbe-trieb im Winter / Sommer und in den Übergangszeiten abgebildet wird.
Da die Fahrzeugzuladung und somit das Gesamtgewicht einen entscheidenden Einfluss auf den Energieverbrauch des Antriebs haben, wurde die Möglichkeit zur Berücksichtigung von Fahrgastzählungen implementiert. Weil in den Meisten Fällen diese Daten jedoch nicht vor-liegen, wird eine Berechnung mit 50 % und 100 % Zuladung entlang der gesamten Strecke durchgeführt. Diese Berechnung trägt auch der vom VDV bei der Planung zur Einführung von E-Bussen geforderten „worst case“ Betrachtung Rechnung [VDV14].
3 Technische Auslegung
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3.2.2 Energieverbrauch pro Umlauf
Wie in Abbildung 3.1 dargestellt, wird zur technischen Auslegung des Fahrzeugs und der
notwendigen Ladeinfrastruktur der Gesamtverbrauch des Fahrzeugs im Laufe eines Tages
benötigt. Hierbei wird wie beschrieben die benötigte Energie für den Betrieb des Busses mit
und ohne Klimatisierung, sowie für 50 % und 100 % Fahrzeugauslastung des ausgewählten
Umlaufprofils ermittelt. Der Energieverbrauch für Leerfahrten während des Umlaufs wird in
jedem Fall ohne Zuladung berechnet. Abbildung 3.7 zeigt graphisch den Verlauf des State of
Charge (SOC) einer 250 kWh Batterie eines E-Bus im Rahmen eines Tagesumlaufs bei un-
terschiedlicher Zuladung ± Heizung.
Abbildung 3.7 Batterieladezustand im Laufe eines Um laufs vor Systemoptimierung
Die erzielten Ergebnisse bilden im weiteren Verlauf die Basis für die nachfolgende Sys-
temoptimierung hinsichtlich Batteriekapazität und Ladeinfrastruktur.
3.2.3 Antriebsauslegung
Neben der für den Betrieb mitzuführenden benötigten Energie ist weiterhin die Dimensionie-
rung des Antriebsstrangs für das geplante Einsatzgebiet zu klären. So macht es einen we-
sentlichen Unterschied hinsichtlich Motorleistung und Drehmoment, ob das Fahrzeug im
Flachland ohne große Streckensteigungen oder in Gebieten mit erheblichen Steigungen ein-
gesetzt werden soll. Die Antwort hierauf gibt das Energie Management Tool, da dieses im
Rahmen der Berechnung auch die für den Vortrieb notwendigen Kennfelder liefert. Abbildung
3.8 zeigt als Beispiel das für den Antrieb notwendige Drehmoment, hier auf einer geografisch
anspruchsvollen Linie.
3 Technische Auslegung
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Abbildung 3.8 Notwendiges Antriebsdrehmoment bei un terschiedlichem Gesamtgewicht
Im Besonderen gilt diese Aussage bei E-Bussen, abweichend für herkömmliche Fahrzeuge
mit Verbrennungsmotor, zusätzlich für die im Zusammenhang mit der Rekuperation benötig-
te Leistung des Motors, welcher jetzt als Generator betrieben wird. Ist dieser, inklusive des-
sen Leistungselektronik, hierfür zu klein dimensioniert, so kann die im Bremsvorgang frei-
werdende kinetische Energie nur unzureichend in elektrische Energie zurückgewandelt wer-
den und der Energieverbrauch des Busses steigt. Anders als beim Diesel, wo nur die An-
triebsleistung zu berücksichtigen ist und eine leichte Unterdimensionierung des Motors ledig-
lich eine geringere Beschleunigung nach sich zieht, hat beim E-Bus eine falsche Antriebsdi-
mensionierung also auch wesentliche Auswirkungen auf die Energieeffizienz des Fahrzeugs.
Nachfolgende Grafik stellt die für einen voll beladenen Gelenkbus notwendige Antriebsleis-
tung da. Der rote Bereich kennzeichnet hierbei jene Zone, in welcher z.B. ein 200 kW Motor
nicht dauerhaft kinetische in elektrische Energie wandeln kann. Sämtliche Leistung, darge-
stellt durch die Fläche der blauen Kurve innerhalb dieser Zone, geht für die Rekuperation
verloren.
Abbildung 3.9 Notwendige Antriebsleistung bei 29 t Gesamtgewicht
In geografisch anspruchsvolles Gelände
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3.3 Systemauslegung und Optimierung
Mit Hilfe der im Rahmen der bei der Energiebilanzierung des Umlaufs gewonnenen Daten
kann im weiteren Verlauf das optimale Einsatzkonzept (Nachtlader / Gelegenheitslader) des
E-Busses bestimmt werden. Anhand der Verbräuche auf den Umlaufbildenden Strecken,
wird nun mit der eigentlichen Systemauslegung hinsichtlich Batteriekapazität und notwendi-
ger Ladeinfrastruktur begonnen. Im Vordergrund steht weiterhin die Maxime den E-Bus in
den bestehenden Fuhrpark zu integrieren, um auch zukünftig maximale Flexibilität für den
Betreiber hinsichtlich Einsatzfähigkeit des neuen Fahrzeugtyps zu gewährleisten.
Aus diesem Grund wird bei der Wahl des Einsatzkonzepts auch nur auf Wunsch des Betrei-
bers der Gelegenheitslader mit möglichst kleiner Batterie gewählt, da dieses den Betrieb des
E-Bus, solange kein weitreichendes Netzwerk an automatischen Schnellladestationen be-
steht, auf eine oder wenige Strecken beschränkt.
3.3.1 Batteriegröße
Da ein Netzwerk von Ladestationen wie beschrieben bisher noch fehlt, wird versucht das
Fahrzeug primär als Volllader zu realisieren. Erst wenn dies nicht mehr möglich ist, wird auf
die Nachladung der Batterie an den Wendepunkten der Linie zurückgegriffen. Manche Um-
läufe lassen sich aufgrund der hohen Kilometerleistung jedoch von Beginn an nur als Gele-
genheitslader umsetzen. Hier werden abweichend zu anderen Konzepten, welche oft aus
Kosten und Gewichtsgründen eine möglichst kleine Hochleistungs-Batterie bevorzugen, ge-
zielt z.B. bei Solobussen Hochenergie-Batterien mit mindestens 200 kWh ausgewählt. Dies
gewährt die bei der Systemauslegung mit im Fokus stehende Einsatzflexibilität für den Be-
treiber und schafft Reserven, falls ein Ladevorgang ausgelassen werden muss. Die Wahl der
Batteriekapazität erfolgt weiterhin anhand der tatsächlich aktuell am Markt befindlichen Fahr-
zeuge. Abbildung 3.10 zeigt den Verlauf des SOC der Batterie am Beispiel unterschiedlich
großen Batteriekapazitäten für 100 % Zuladung ± Heizung.
Abbildung 3.10 Batterieladezustand im Laufe eines U mlaufs bei unterschiedlichen Batteriekapazitäten
3 Technische Auslegung
Seite 15
Bei der späteren Systemoptimierung werden weiterhin die Alterung der Batterie negativ be-
einflussende Faktoren berücksichtigt, sowie eine Energiereserve der nutzbaren Batteriela-
dung (SOC) im „worst case“ vorgehalten, womit ausreichende Reserven für Störungen zum
Normalbetrieb [VDV14] bestehen. Näheres Hierzu in Kapitel 3.3.3.
Da die Batterie des E-Busses auch am Ende der Lebensdauer noch über ausreichend Kapa-
zität zur Bewältigung des Umlaufs verfügen muss, wird zusätzlich jeweils eine Berechnung
mit 80 % der gewählten Anfangskapazität durchgeführt.
3.3.2 Ladeinfrastruktur
Die Ladeinfrastruktur setzt sich aus der Ladestation im Depot sowie den Ladestationen im
öffentlichen Raum zur Gelegenheitsladung zusammen. Bei der Ladung auf dem Betriebshof
wird die Batterie in Normalfall auf 100 % ihrer Kapazität aufgeladen. Da das Konzept von der
Verwendung von Hochenergie-Batterien ausgeht, wird hier die Ladestation für Langsamla-
dung (<0,25 C) ausgelegt, um eine unnötige beschleunigte Alterung der Batterie durch
Schnellladung zu vermeiden [KIE15].
Wird im Rahmen des gewählten Einsatzkonzeptes auf Gelegenheitsladung an den Wende-
punkten der Linien zurückgegriffen, so werden hier die Ladestationen als Schnellader ausge-
legt, da in der verfügbaren Zeit so viel Energie wie möglich der Batterie zugeführt werden
soll. Abbildung 3.11 & Abbildung 3.12 zeigen Beispiele für am Markt verfügbare Ladestatio-
nen mit Stecker Verbinder im Depot sowie mit Pantograph zur automatischen Kontaktierung
für den öffentlichen Raum.
Abbildung 3.11 Depotladestation [EUR14]
Abbildung 3.12 Schnellladestation
mit Pantograph [SIE14]
3 Technische Auslegung
Seite 16
3.3.3 Systemoptimierung
Fällt die Wahl des Einsatzkonzeptes basierend auf der Energiebilanz des Umlaufs, aus Kos-
tengründen (die Batterie ist einer der Kostentreiber der Elektromobilität) oder aus betriebs-
bedingten Gründen nicht auf den Nachtlader, so wird an dieser Stelle iterativ das bestmögli-
che System für den Umlauf ermittelt. Hierbei sind die Variablen Batteriegröße, Ladeleistung,
Ladeposition und verfügbare Ladezeiten.
Zu Beginn wird die erstellte Umlauftabelle auf mögliche Wartezeiten an den Linienwende-
punkten hin analysiert. Hierbei werden nur Wartezeiten von mehr als zehn, mindestens aber
sieben Minuten berücksichtigt, um Verspätungen des Busses im laufenden Betrieb Rech-
nung zu tragen. Weiterhin werden für Kontaktierung und auflösen der Verbindung zwischen
Bus und Ladestation je eine Minute veranschlagt. Tabelle 3.2 zeigt auszugsweise die mögli-
chen Positionen und Wartezeiten welche für die Gelegenheitsladung genutzt werden kön-
nen.
Tabelle 3.2 Positionen und nutzbare Wartezeiten zur Schnellladung
Nun wird der eigentliche Prozess der Systemoptimierung begonnen. Ziel ist dabei die best-
mögliche Kombination aus Batteriekapazität, Ladeleistung und Ladezeit zu bestimmen.
Wie zuvor auf Seite 14 & 15 erwähnt, werden bei der Prozessoptimierung die Batteriealte-
rung beeinflussende Faktoren berücksichtigt. Zu Beginn wird die maximal erlaubte Schnell-
und Langsamladeleistung berechnet. Wie schon in Kapitel 2.8 beschrieben, ist die C-Rate
und somit die Stromstärke bei 1 C bzw. 0,25 C von der Gesamtkapazität der Batterie abhän-
gig. Je größer die Batteriekapazität, desto höher der mögliche Strom und somit auch die er-
laubte Ladeleistung. Da die optimale Batteriekapazität noch nicht fest steht, werden die un-
terschiedlichen Grenzwerte für die in der Iteration geplanten Batteriekapazitäten des Elektro-
busses berechnet. Weiterhin wird die für Hochenergie-Batterien maximale Schnellladungs-
3 Technische Auslegung
Seite 17
grenze von 80 % SOC14 honoriert. Da auch die Entladetiefe (DOD)15 einen Einfluss auf die
Batteriealterung hat [SAU14], wird im Rahmen der Optimierung versucht diesen durch ma-
ximale Nutzung aller Nachlademöglichkeiten so klein wie möglich zu halten. Der Einfluss des
DOD verdeutlicht Abbildung 3.13 Zyklenfestigkeit in Abhängigkeit der Entladetiefe [SAU14].
Abbildung 3.13 Zyklenfestigkeit in Abhängigkeit der Entladetiefe [SAU14]
Da zum Zeitpunkt der Systemauslegung nicht bekannt ist, ob durch das BMS ein Schutz vor
Unterschreitung der die Batteriealterung beschleunigenden Entladungsgrenze besteht, wird
diese im Optimierungsprozess mit berücksichtigt. Hierzu wird eine untere Entladungsgrenze
von 20 % der Anfangskapazität im „worst case“ Szenario16 sowie 10 % dieses Scenarios
zum Ende der Batterielebensdauer eingehalten. Dieser Puffer wirkt gleichzeitig als Reserve
im täglichen Betrieb.
Durch Veränderung der einzelnen Parameter wird nun das für den Umlauf optimale System
ausgelegt, wobei versucht wird sowohl Batteriekapazität als auch Ladeleistung so klein wie
möglich zu halten, bei gleichzeitig maximaler Einbindung von Pufferzeiten für die Ladung.
Abbildung 3.14 & Abbildung 3.15 zeigen das Ergebnis einer Systemoptimierung für unter-
schiedliche Fahrzeugauslastung mit und ohne Klimatisierung, sowie die sich ergebende La-
de- und Pufferzeiten.
14 Ab einem SOC von ca. 80 % steigt bei Schnellladung die Innentemperatur der Batterie stark an was die Alterung beschleunigt und im schlimmsten Fall die Batterie zerstört [KIE15] 15 Prozentualer Wert zwischen SOC zu Beginn der Entladung bis zum SOC bei Entladungsende und nachfolgender Ladung 16 100 % Zuladung über den ganzen Tag sowie Heizungsauslastung zu 50 %
4 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
Seite 18
Abbildung 3.14 Darstellung des Batterieladezustands eines Umlaufs nach Systemoptimierung
Abbildung 3.15 Vergleich zwischen verfügbarer und ta tsächlicher Ladezeit
4 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
Wie in der Einleitung dargestellt, ist eine der immer wieder gestellten Fragen die nach den
entstehenden Kosten und jene ob sich ein E-Bus im Vergleich zum Diesel überhaupt rentiert.
Die Antwort auf diese Frage ist sowohl für den Betreiber für dessen Kalkulation, als auch für
die Kommunen, welche den ÖPNV finanzieren, und somit den Steuerzahler von großem In-
teresse. Aus diesem Grund wurde gemeinsam mit dem Fachbereich Wirtschaft der Fach-
hochschule Flensburg, unter Leitung von Herrn Professor Dr. Schurawitzki, ein „Manage-
ment Tool Wirtschaft“ zur Berechnung der „Total Cost of Ownership (TCO)“17, bei gleichzeiti-
gem Vergleich zu einem Dieselbus, entwickelt. Basis für die wirtschaftliche Betrachtung bil-
17 Lebenszykluskosten des Fahrzeugs über dessen geplanten Betriebszeitraum
4 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
Seite 19
den die Ergebnisse der Energiebilanzierung und Systemauslegung. Alle Kosten verstehen
sich Netto ohne Umsatzsteuer. Im Weiteren wird das Tool sowie die gewählte Vorgehens-
weise näher beschrieben.
4.1 Eingangsparameter und Einflussfaktoren
Da zum Zeitpunkt der wirtschaftlichen Betrachtung noch kein spezielles Fahrzeug durch den
Betreiber ausgewählt wurde, dient die Ermittlung der TCO selbstverständlich nur als Anhalt.
Trotzdem wird soweit es geht auf bestehende Daten des Betreibers, wie zum Beispiel aktuel-
ler Preis des bezogenen Stroms und Kraftstoffs, zurückgegriffen. Hat sich ein Betreiber zu
einem späteren Zeitpunkt für ein Fahrzeug entschieden, kann kurzfristig eine Nachberech-
nung der TCO erfolgen. Nachfolgende Auflistung gibt eine Übersicht über die Eingangspa-
rameter.
• Fahrzeugpreis E-Bus / Diesel (unverhandelt)
• Nutzungszeitraum = Abschreibungszeitraum
• Durchschnittsverbrauch E-Bus aus Energiebilanzierung
• Durchschnittsverbrauch Dieselbus (aus aktueller Betreiberstatistik)
• Versicherungskosten pro Jahr18
• Wartungskosten pro Kilometer19
• Anzahl, Nutzung und Preis der Ladestationen
• Anzahl und Kosten der Zapfsäulen
• Kapazität der Batterie
• Anzahl garantierter Ladezyklen
• Dieselpreis-/Strompreis- und Batteriepreisentwicklung
• Fahrzeug Kilometerleistung pro Jahr gemäß bestehendem Umlauf
18 Diese ist auf Anfrage bei Versicherungsgesellschaft für beide Fahrzeuge gleich 19 Zur Zeit wird beim E-Bus von 50 % der Wartungskosten im Vergleich zum Diesel ausgegangen, Dieser Wert ist in der Praxis zu überprüfen
4 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
Seite 20
Nachfolgende Grafik zeigt beispielhaft die befüllte Eingabemaske.
Abbildung 4.1 Eingabemaske TCO
Aufgrund der aktuell schwer abschätzbaren Erträge werden der Fahrzeugrestwert sowie die
Einnahmen bei Verkauf der ausgetauschten Batterie derzeit nicht mit in die Gesamtkosten-
betrachtung eingerechnet. Da jedoch sowohl der Fahrzeugrestwert des E-Bus über dem ei-
nes Dieselbus liegen dürfte als auch der Verkauf der Batterie nicht unerhebliche Erträge er-
zielen wird, ist geplant dies zukünftig mit in die Berechnung mit einfließen zu lassen.
Zum besseren Verständnis sollen nun einige Parameter näher erläutert werden.
4.1.1 Durchschnittsverbrauch E-Bus
Da in unterschiedlichen Einsatzregionen der Bus unterschiedlich klimatisiert wird, fließt die
Nutzung von Klimaanlage und Heizung zu einem Zwölftel des Jahresverbrauchs pro Nut-
zungsmonat ein. Für die verbleibenden Monate wird dann der Durchschnittsverbrauch ohne
Klimatisierung zur Berechnung des Durchschnittsverbrauchs pro Kilometer heran gezogen.
Da während des Ladevorgangs bei der Wandlung von Wechselstrom in Gleichstrom Verluste
in der Ladestation sowie in der Batterie entstehen werden diese für die Berechnung der aus
dem Netz aufgenommenen Energie pro Kilometer berücksichtigt, da diese dem Betreiber
vom Stromversorger berechnet werden. Hierbei wird von einem Wirkungsgrad des Ladege-
rätes (��������) von 95 % ausgegangen, wobei neue Werkstoffe einen Wirkungsgrad von bis
zu 97 % ermöglichen [FRA11]. Seitens der Batterie treten lediglich Verluste von ein bis drei
4 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
Seite 21
Prozent auf [BAT15]. Für die TCO Berechnung wird ein Batteriewirkungsgrad von 98,5 %
angenommen. Die Berechnung des auf den Netzbezug bezogenen Durchschnittsverbrauchs
ist Formel (4.1) zu entnehmen.
∅������� �� !�" # � ∅������ � $� !�" %�������� ∗�����
(4.1)
4.1.2 Wartungskosten pro Kilometer
Da der Elektroantrieb des E-Bus fast keine Schmierstoffe benötigt20 und wesentlich weniger
bewegliche Teile beinhaltet, entfällt ein großer Teil des beim Dieselfahrzeug anfallenden
Wartungsaufwandes, wie z.B. Ölwechsel oder Keilriemenwechsel. Ein weiterer Vorteil des
E-Bus ist dessen elektrische Bremse, bei welcher der Motor als Generator läuft und somit
den Bus abbremst. Hierdurch wird die mechanische Bremse bei vorausschauender Fahrwei-
se fast gar nicht mehr betätigt, wodurch diese kaum noch verschleißt und ein Tausch von
Bremsscheiben oder Belegen nur noch sehr selten notwendig ist.
4.1.3 Kapazität der Batterie und Anzahl der Ladezyk len
Wie schon in Kapitel 2.6 und 2.7 dargestellt wird die Batterie bei einer Kapazität von 80 %
der anfänglichen Nennkapazität im Normalfall getauscht. Da die Kosten der Ersatzbatterie
bei der TCO-Berechnung berücksichtigt werden müssen, wird basierend auf den durch den
Fahrzeughersteller angegebenen garantierten Vollzyklen, sowie dem ermittelten Durch-
schnittsverbrauch des E-Bus pro Kilometer in Kombination mit der Jahreslaufleistung der
Austauschzeitpunkt der Batterie bestimmt. Da die tatsächlich genutzte Zeit des Busses nach
Austausch der Batterie in den seltensten Fällen mit der verbleibenden theoretischen Nut-
zungsdauer der Ersatzbatterie übereinstimmt, werden die Batteriekosten nur anteilig bis zum
Ende des Abschreibungszeitraums des Fahrzeugs mit in der TCO Berechnung berücksich-
tigt. Die Kosten pro Kilowattstunde der Ersatzbatterie werden hierbei der im nächsten Kapitel
erläuterten Preisentwicklung für Batterien entnommen. Sollte durch den Hersteller in seinen
Garantiebedingungen ein Vollzyklus mit weniger als 100 % festgelegt sein, so wird diesem
durch Umrechnung der Garantierten Zyklen Zahl Rechnung getragen.
4.1.4 Dieselpreis-/Strompreis-/Batteriepreisentwick lung
Für die Preisentwicklung bei Diesel und Strom wird der aktuell durch den Betreiber gezahlte
Preis zugrunde gelegt und anhand langjähriger Statistiken in die Zukunft extrapoliert. Hierbei
20 Bei Zentralantrieb braucht lediglich das Differenzial gewartet werden.
4 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
Seite 22
wird im Normalfall der in der Betriebswirtschaft übliche „Compound Average Case“, welcher
den Durchschnitt aus unterschiedlichen Vorhersagemethoden bildet, gewählt. Die Preisent-
wicklung des Stromes enthält die gemäß EEG 2014 auch für Elektrobusse zu zahlende
EEG-Zulage. Beispiele für Preisentwicklungen bei Diesel und Strom sind Abbildung 4.2 und
Abbildung 4.3 zu entnehmen.
Abbildung 4.2 Preisentwicklung Diesel Basis 1,19 €
Abbildung 4.3 Preisentwicklung Strom Basis ~0,20 €
4 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
Seite 23
Die Preisentwicklung bei Lithium-Ionen Batterien ist wesentlich schwerer zu prognostizieren
als die von Strom oder Kraftstoff, da es sich einerseits um eine relativ neu am Markt befindli-
che Technologie handelt, andererseits halten sich die Hersteller sehr bedeckt mit Ihren Prei-
sen. Grundsätzlich wird bei Batterien der Preis pro Kilowattstunde angegeben, wobei es
wichtig ist zwischen dem Preis auf Zellebene und Modulebene zu unterscheiden. Abbildung
4.4 Lithium-Ionen Zellpreisentwicklung [SAU14] zeigt eine Prognose der Preisentwicklung
auf Zellebene aus dem Jahre 2014. Schaut man sich hierin das aktuelle Jahr (2015) an so
variiert der Preis pro Kilowattstunde zwischen 180 und 400 € oder mehr als 100 %.
Abbildung 4.4 Lithium-Ionen Zellpreisentwicklung [SA U14]
Da bei einer Batteriesubstitution nicht nur die Zellen, sondern ganze Module getauscht wer-
den, wird mit einem aktuellen Modulpreis von 500 €21 pro Kilowattstunde gerechnet. Im Ver-
gleich berechnet Nissan für die Substitution des Batteriepakets22 des Nissan „Leaf“ einen
Betrag von 5.499 $ Netto was aktuell einem Preis von ca. 200 €23 pro kWh auf Modulebene
entspricht. Auch wenn dieser die Kosten bei Nissan nicht zu 100 % deckt [VOE14], so gibt
dies dennoch einen Anhaltspunkt wohin der Markt sich entwickelt.
4.2 Ergebnisse TCO Berechnung
Die Ergebnisse der Berechnung der Lebenszykluskosten erlauben nun eine vergleichende
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung eines Elektrobusses gegenüber einem herkömmlich mit Diesel
betriebenen Fahrzeug. In der numerischen Ausgabe, dargestellt in Abbildung 4.5, werden die
durchschnittlichen jährlichen Gesamtkosten, sowie Einzelposten wie Abschreibung, Batte-
21 Gespräche mit unterschiedlichen Fahrzeugherstellern haben diesen Pries inoffiziell bestätigt. 22 Batteriekapazität 24 kWh 23 Wechselkurs 1 USD = 0,88 Euro
4 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
Seite 24
riesubstitution, Energiekosten, Versicherung, Wartung, und wenn gewünscht der kalkulatori-
schen Zinslast berechnet. Zusätzlich werden die zu erwartenden Kosten pro Kilometer, der
maximale Anschaffungspreis eines E-Busses als Rentabilitätsschwelle im Vergleich zur Die-
selvariante sowie eine gegebenenfalls notwendige Förderung pro Kilometer als Kostenaus-
gleich für etwaige Mehrkosten bei Beschaffung eines Elektrobusses ausgegeben.
Abbildung 4.5 Ergebnisse TCO Berechnung
Neben den rein analytischen Ergebnissen werden Grafiken erzeugt, welche die Kostenent-
wicklung zwischen E-Bus und Diesel darstellen. Abbildung 4.6 Kostengegenüberstellung E-
Bus vs. Diesel pro Betriebsjahrzeigt beispielhaft die zu erwartenden Kosten pro Jahr verglei-
chend für beide Fahrzeugtypen. Der Kostensprung beim Elektrobus (grün) im neunten Be-
triebsjahr begründet sich aus dem Kauf einer Ersatzbatterie.
Abbildung 4.6 Kostengegenüberstellung E-Bus vs. Die sel pro Betriebsjahr
4 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
Seite 25
Abschließend ist aus der in Abbildung 4.7 dargestellten Grafik der zu erwartenden Gesamt-
kosten auf einen Blick zu entnehmen, ob ein E-Bus im Vergleich zum Diesel überhaupt kos-
tendeckend zu betreiben ist.
Abbildung 4.7 Gegenüberstellung Gesamtkosten E-Bus vs. Diesel
Bei sämtlichen Berechnungen wird im Übrigen von einer gleich hohen Verfügbarkeit des
E-Bus im Vergleich zum Diesel ausgegangen.
5 Fazit
Seite 26
5 Fazit
Wie in der Einleitung dargestellt ist der ÖPNV durch geregelte im Vorfeld feststehende Fahr-
pläne, hohe Nutzfahrzeuggewichte und Jahreskilometerleistungen prädestiniert für Elektro-
mobilität. Auch ist der elektrische Antrieb im ÖPNV nicht neu, wird er doch schon seit dem
frühen zwanzigsten Jahrhundert erfolgreich bei Oberleitungsbussen [TRO15]und Straßen-
bahnen europaweit eingesetzt. Der gravierende Unterschied zu heutigen Batteriebussen ist
jedoch die Energiebereitstellung. Werden Oberleitungsbussen über ein Leitungsnetz dauer-
haft mit Strom versorgt, durch welches sie an eine vorher festzulegende Streckenführung
gebunden sind, so führen Batteriebusse ihren eigenen Stromspeicher mit. Dies macht sie
wesentlich flexibler einsetzbar und spart teure Infrastrukturkosten. Der Nachteil ist jedoch die
durch die Batteriekapazität begrenzte Reichweite. Um einen Batteriebus erfolgreich in den
laufenden Betrieb zu integrieren sind daher vollkommen neue Planungsaufgaben notwendig.
Genau diese Aufgaben erfüllt das vorgestellte Konzept und beantwortet zusätzlich die Frage
nach den zu erwartenden Kosten.
Ziel war es die in der Einleitung aufgeworfenen Fragen:
• „Wie ist Elektromobilität im ÖPNV zu realisieren?“
• „Was muss hierbei beachtet werden?“
• „Wieviel würde dies im Detail kosten?“
zu beantworten und genau dies ist mit dem vorgestellten Konzept möglich.
Im Rahmen des Projektes im Kreis Nordfriesland durchgeführte Machbarkeitsstudien liefern
hier bereits Erste Ergebnisse. Grundsätzlich ist zu sagen, dass mit den bereits heute am
Markt verfügbaren Elektrobussen der bestehende ÖPNV in den meisten Fällen sowohl tech-
nisch als auch wirtschaftlich realisierbar ist. Wer jedoch glaubt ein von der Stange gekauftes
Fahrzeug erfüllt in jedem Fall den angedachten Zweck, irrt. Nur durch ausgiebige Planung im
Vorfeld, inklusive der notwendigen Energiebilanzierungen, kann ein für den vorgesehenen
Einsatz optimiertes Fahrzeug hinsichtlich seiner Motorleistung und Batteriekapazität sowie
der dazugehörigen Ladeinfrastruktur ausgelegt werden. Hierbei darf gegebenenfalls auch
nicht vor einer negativen Empfehlung hinsichtlich der Realisierbarkeit gescheut werden.
Denn es gibt immer wieder Fälle bei denen eine Umstellung eines Umlaufs entweder aus
technischen und/oder wirtschaftlichen Gründen zum jetzigen Zeitpunkt keinen Sinn macht.
Das heißt nicht, das eine erneute Analyse in drei bis vier Jahren nicht positiv ausfallen könn-
te, denn die Geschwindigkeit mit welcher im Bereich der Batteriespeicher hinsichtlich deren
5 Fazit
Seite 27
Kapazität die Entwicklung voran schreitet ist immens. Gleiches gilt im Hinblick auf die zu er-
wartenden Kosten.
Ob die Umstellung eines Umlaufs eines Betreibers oder einer speziellen Linie in einer Kom-
mune oder Stadt sowohl technisch als auch wirtschaftlich sinnvoll ist, muss also im Einzelfall
betrachtet werden. Lohnenswert ist diese Betrachtung auf jeden Fall, denn neben Betriebs-
kostenersparnissen, welcher ein E-Bus im Vergleich zum Diesel oft schon heute mit sich
bringt, bedeutet die Umstellung weniger Lärm und besserer Luftqualität in der Stadt, sowie
bei der Verwendung von nachhaltig produziertem Strom zusätzlich einen Beitrag zur Erfül-
lung der durch die Bundesregierung avancierten Klimaschutzziele. Details zu Betriebskos-
ten- und CO2-Einsparpotenzialen sind beispielhaft in Abbildung 5.1 dargestellt.
Abbildung 5.1 Einsparungspotenziale E-Bus (Energiekos ten & CO2) [IZU15], [UBA15]
Elektromobilität wird im ÖPNV der Zukunft eine tragende Rolle spielen
und:
„Er ist schon heute sowohl technisch als auch wirtschaftlich realisierbar.“
aber
„Gute Planung schütz vor Misserfolg.“
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Seite 28
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