Leitfaden für Busse mit alternativen Antrieben - NOW GmbH
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wischenkreis
400 VAC
Leitfaden für Busse
mit alternativen Antrieben
DC-Zwischenkreis
24 VDC
2
impress um inhalt 3
Herausgeber Redaktionsteam
Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) Thoralf Knote (Verfasser)
Invalidenstraße 44 | 10115 Berlin Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI
Referat G23 Elektromobilität Zeunerstraße 38 | 01069 Dresden
E-Mail: Ref-g23@bmvi.bund.de Telefon: 0351 / 4640-628
E-Mail: thoralf.knote@ivi.fraunhofer.de
Koordination www.ivi.fraunhofer.de
NOW GmbH – Begleitforschung Innovative
Antriebe im straßengebundenen ÖPNV Mit freundlicher Unterstützung durch
Oliver Hoch Michael Faltenbacher (Sphera Solutions GmbH) Seite Inhalt
Fasanenstraße 5 | 10623 Berlin Sven-Erik Kratz (SEK Strategy Consulting GmbH)
Telefon: 030 / 311 6116-703 Christine Schwärzel-Lange (VCDB GmbH)
E-Mail: oliver.hoch@now-gmbh.de 4 1 Einleitung
www.now-gmbh.de Gestaltung
kursiv Kommunikationsdesign | Katrin Schek
Leitung der Begleitforschung Innovative Antriebe im Peter Frey, Angela Köntje
8 2 Batteriebusse
straßengebundenen ÖPNV
Sphera Solutions GmbH
17 3 Brennstoffzellenbusse
Michael Faltenbacher Erscheinungsjahr 2021
Hauptstr. 111-113 | 70771 Leinfelden-Echterdingen
Telefon: 0711 / 341 817 29 24 4 Oberleitungsbusse
E-Mail: MFaltenbacher@sphera.com
Gemeinschaftsprojekt im Auftrag des BMVI mit 28 5 Kerntechnologien elektrisch angetriebener Busse
hySOLUTIONS, VCDB, F hG IVI, Ingenieurgruppe IVV und SEK Consulting
38 6 Klimawirkung
40 7 Überblick über die Antriebsformen
44 8 Nützliche Links
4 Einleitu ng 5
1 Einleitung hochoptimiert in Verkehrsbetrieben zu finden sind. eine umfassende und komplexe Planung voraus, die
Wesentliche Kenngröße ist die Reichweite der Fahr- vollständig zu erklären den Rahmen dieser Broschüre
zeuge zwischen Nachlade- bzw. Tankvorgängen, es sei sprengen würde. Wesentliche Planungsschritte und
denn, dass sich insb. Nachladevorgänge in bestehende die dafür notwendigen Informationen für grundlegende
Die Zukunft des ÖPNV wird durch emissionsfreie Wandel ausgehend von einer realistischen Erwartungs betriebliche Abläufe einpassen lassen. Entscheidungen sind in Grafik 2 aufgeführt. Notwen-
Antriebe auch für die etwa 35.600 ¹ von VDV- haltung in den richtigen Schritten bewältigen zu dige Informationen, sofern sie nicht unternehmens-
Mitgliedsunternehmen betriebenen Linienbusse können. Die Entscheidungsfindung für die Einführung von spezifisch sind, werden in den nachfolgenden Kapiteln
geprägt sein. Dabei stehen rein elektrische Antriebe Bussen mit alternativen Antriebssystemen setzt dargelegt.
und Fahrzeuge mit einer Brennstoffzelle im Vorder Die Informationen adressieren ausdrücklich nicht auf
grund, da nur diese den Forderungen der Clean dem Gebiet „Alternative Busantriebe“ erfahrene und
Vehicles Directive nach „quasi emissionsfreien An- seit Jahren tätige Fachleute. Vielmehr dienen die
G rafik 1 Benötigte Reichweite von Bussen mit Alternativem Antrieb ²
trieben“ gerecht werden. Informationen der Erlangung von Grundwissen.
Wissen über die Möglichkeiten, aber auch die Grenzen Die Einführung von Bussen mit alternativen Antriebs-
der nachfolgend aufgeführten Antriebssysteme sind systemen wird nur gelingen, wenn sie sich an den 30 %
eine Grundvoraussetzung, um den technologischen betrieblichen Anforderungen orientiert, wie sie heute
25 %
20 %
Tabelle 1 Betrachtete Bustechnologien
15 %
Batteriebusse Brennstoffzellenbusse Oberleitungsbusse 10 %
5%
Vollader BSZ als Hauptenergiequelle Konventionelle Oberleitungsbusse
0%
Gelegenheitslader BSZ als Range-Extender Hybrid-Oberleitungsbusse
km km km km km km km km
00 50 00 50 00 50 00 00
Pulslader
6 Einleitu ng 7
G rafik 2 Schritte für die Entscheidungsfindung
Marktanalyse unter besonderer Analyse betrieblicher Abläufe mit Prüfung (der städtebaulichen) und Entscheidung über
Beachtung von Fokus auf infrastrukturellen Voraussetzungen
atterien / Reichweite von sog.
B Fahrzeuglängen
Platzreserven in den Betriebshöfen Abgleich betrieblicher Abläufe mit
Vollladern Umlaufplangestaltung für Ladeinfrastruktur Fahrzeug- und Ladeinfrastrukturkonzepten Ladestrategie(n)
Batteriebusse
Ladeleistung von Lade (Längen, Linien, Endhaltestellen) mögliche Anschlussleistung für die Heizung und Klimatisierung
infrastruktur und Batterien Pausengewährung Ladeinfrastruktur mlaufplanlängen vs. Reichweiten
U der Busse
Heizung und Klimatisierung der Gelegenheitsverkehr Platzreserven an den Endhaltestellen Heizung und Klimatisierung der Busse Beschaffungsschritte
Busse / Auswirkungen auf die für Ladestationen Wendezeiten vs. Fahrzeiten, End
Reichweite mögliche Anschlussleistung für haltestellen für sog. Gelegenheitslader
Kosten für Busse, Ersatzbatterien Ladestationen an Endhaltestellen Abschätzung betrieblicher
sowie Ladeinfrastruktur Energiebezugs- und Anschlusskosten Mehraufwände anhand ausgesuchter Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
Linien
Investitions- bzw. Kapitalkosten
laufende Betriebskosten
erfügbarkeit von Fahrzeugen
V Fahrzeuglängen
Platzreserven in den Betriebs BSZ-Hybrid oder BSZ-REX
Brennstoffzellen-
(Anbieter) Umlaufplanlängen höfen für Wasserstoffinfrastruktur Wasserstoffinfrastruktur
Reichweite mögliche Anschlussleistung und ggf. Ladeinfrastruktur
Kosten für Busse, Ersatzbatterien, für die Verdichter und ggf. die Wasserstoffbezug
Ersatz-Brennstoffzelle Ladeinfrastruktur in Betriebs- Beschaffungsschritte
und Wasserstoffinfrastruktur höfen
Energiebezugskosten, Kosten für
busse
Wasserstoff, Anschlusskosten
Prüfung der Klima- und
Umweltwirkungen
Vermeidung von Treibhausgasen
(Hybrid-)Oberleitungs-
atterien / Reichweite außerhalb
B Fahrzeuglängen traßen(abschnitte) mit b aulicher Inte-
S Ermittlung notwendiger und geeigneter Vermeidung von Luftschadstoffen Oberleitungsabschnitte
von Oberleitungen Linien- bzw. Streckenlängen grationsfähigkeit der Oberleitungen Oberleitungsabschnitte Heizung und Klimatisierung
Heizung und Klimatisierung Fahrzeiten auf einzelnen mögliche Anschlussleistung für die der Busse
der Busse / Auswirkungen auf Streckenabschnitten Oberleitunegen in den Betriebshöfen traßen(abschnitte) mit Oberleitung
S Beschaffungsschritte
die Reichweite außerhalb von Platzreserven für den Aufbau von Endhaltestellen mit gesonderter
Oberleitungen Gleichrichterunterwerken Ladeinfrastruktur
Kosten für Busse, Ersatzbatterien mögliche Anschlussleistung für Bauflächen für Gleichrichterunterwerke
sowie Oberleitungsinfrastruktur Gleichrichterunterwerke
busse
Energiebezugs- und Anschlusskosten
8 B atteri ebu sse 9
2 Batteriebusse
grafik 3 Übersicht über Ladestrategien für Batteriebusse
Volllader werden ausschließlich auf Betriebshöfen Bei der Gelegenheitsladung werden planmäßige
nachgeladen und bieten im Vergleich zu Gelegen- Aufenthaltszeiten an Endhaltestellen dazu genutzt, die
Volllader (Betriebshof-, Depot- oder Ü
bernachtladung) heits- oder Pulsladern im Rahmen ihrer Reichweite Batterien mithilfe hoher Ladeleistungen nachzuladen.
Flexible Lade- und Betriebsstrategie die größtmögliche Flexibilität. Sie können sowohl im I. d. R. werden Gelegenheitslader ergänzend auch auf
Ladeinfrastruktur nur im Betriebshof
Stadt- als auch im Regionalverkehr eingesetzt wer- Betriebshöfen nachgeladen und hauptsächlich im
Limitiert durch Reichweite, insb. bei
vollelektrischer Heizung den,da sie nicht regelmäßig Ladestationen anfahren Stadtverkehr eingesetzt.
Fahrzeugmehrbedarf
müssen. Umleitungen oder Straßensperrungen, die d ie
Erreichbarkeit von Ladestationen verhindern würden In vielen Fällen ist es möglich, mittels Gelegenheits-
Gelegenheitslader (Opportunity Charging)
oder deren Ausfall spielen daher keine Rolle. Ebenso lader Linien oder Linienbündel zu bedienen, ohne
wird der Einsatz von Vollladern weniger durch Ver bestehende Betriebsabläufe ändern zu müssen (keine
L iniengebundener Einsatz
Ladeinfrastruktur auch an Endhaltestellen
spätungen beeinflusst. zusätzlichen Fahrzeuge). Durch Energiebilanzierungen
Vollelektrische Heizung leicht integrierbar im Detail zu prüfende Voraussetzung sind jedoch
Unter bestimmten Voraussetzungen kein
Fahrzeugmehrbedarf Den Vorteilen stehen zumindest kurz- bis mittelfristig regelmäßig wiederkehrende und ausreichend lange
die noch limitierten Reichweiten von Batteriebussen Aufenthaltszeiten an Ladestationen.
gegenüber. Diese beträgt für zweiachsige Solobusse
Pulslader (Flash-Charging oder Ultraschnellladung) derzeit je nach Verkehrsverhältnissen und gewählter Gelegenheitsladung ist i. d. R. ohne Zusatzaufwände
nflexibler liniengebundener Einsatz
U Heizungsform (rein elektrisch, Hybridheizung) zwischen möglich, wenn ca. 1/6 (Hybridheizung) bzw. 1/4,5 (rein
Hoher Ladeinfrastrukturaufwand (auch an
150 und 200 km. Für die nächsten Jahre angekündigt elektrische Heizung) der Fahrzeit als Aufenthaltszeit an
Unterwegshaltestellen)
Vollelektrische Heizung leicht integrierbar sind Reichweiten von etwa 250 km, auch für Gelenk- Ladestationen zur Verfügung steht.
i. d. R. kein Fahrzeugmehrbedarf
busse. Bis zum Ende des Jahrzehnts kann von 300 km
Reichweite ausgegangen werden, auch über die
gesamte Nutzungszeit eines Batteriebusses.
Eine Mischform zwischen Voll- und Gelegenheitsladern stellt die Nachladung im Betriebshof mit hohen Ladeleistungen von 250 kW und
mehr dar. Dabei werden die Batteriebusse im Laufe des Tages für etwa 30 – 60 min auf den Betriebshof zurückgeholt, um sie dort mit
hoher Ladeleistung nachzuladen. Zwar ist hierfür, verglichen mit Gelegenheitsladern, ein geringerer Aufwand bei der Errichtung der
Ladeinfrastruktur notwendig, jedoch sind zusätzliche Fahrzeuge und mehr Fahrpersonal notwendig.
10 B atteri ebu sse 11
Nicht geeignet sind Gelegenheitslader auf Linien mit Ladeinfrastruktur Automatisierte Kontaktsysteme
hoher Verspätungsanfälligkeit, bei häufigen Linien-
wechseln sowie bei unterschiedlichen Endhaltestellen Batteriebusse werden mithilfe von Ladegeräten Automatisierte Kontaktsysteme dienen der Übertra-
über den Tagesverlauf hinweg. (Ladeleistung bis zu 150 kW) oder -stationen (Lade gung hoher Ladeleistungen (derzeit bis zu einem Me-
leistung i. d. R. größer 200 kW) nachgeladen. Hierbei gawatt), sind jedoch auch für kleinere Ladeleistungen,
Bei der Pulsladung werden die Batteriebusse auch an dominiert die kontaktbasierte Energieübertragung. z. B. im Betriebshof geeignet. In Europa kommen
Unterwegshaltestellen mit sehr hoher Ladeleistung derzeit im Wesentlichen drei automatisierte Kontakt-
(≥ 450 kW) nachgeladen. I. d. R. sind keine zusätzlichen Steckverbindungen systeme zum Einsatz.
Fahrzeuge oder Fahrpersonalstunden erforderlich.
Ebenso besteht eine geringere Anfälligkeit gegenüber Steckverbindungen bestehen aus der fahrzeugseitigen
Stemman ChargingPANTO
Verspätungen, jedoch ist Pulsladung aufgrund des Buchse (auch Inlet genannt) und dem Stecker, bei
Schunk Smart Charging
hohen Ladeinfrastrukturaufwandes nur auf Linien mit dem es sich eigentlich um eine elektrische Kupplung
TOSA
sehr vielen Fahrzeugen einsetzbar. Weitere Hemm- handelt. Als Standard setzt sich zunehmend das
nisse sind die Notwendigkeit, Ladestationen auch in Gleichstromladen mittels CCS-Inlet und CCS- bzw. Alle drei Systeme haben Vor- und Nachteile, die indi
Innenstadtbereichen installieren zu müssen sowie Combo-2-Stecker durch. viduell durch Verkehrsbetriebe und Kommunen gegen-
die Erfordernis, Haltestellen mit Ladestationen immer einander abgewogen werden müssen. Die wichtigsten
anfahren zu müssen. Wie Gelegenheitslader sind Bewertungskriterien sind
Pulslader ebenfalls anfällig gegenüber Sperrungen und
Umleitungen.
Integrationsfähigkeit im öffentlichen Straßenraum
inkl. Beachtung des freizuhaltenden Lichtraumes,
Vor diesem Hintergrund und aufgrund immer leistungs-
Integrationsfähigkeit in Betriebshöfen,
fähigerer Batterien werden Linien mit Pulsladung eher
durch das System tolerierte Positionsabweichungen,
die Ausnahme bleiben.
Gewicht und Bauraum auf dem Fahrzeug,
baulicher Aufwand für den Lademast.
Beispiele für Batteriebusse CCS-Stecker für ausschließliches Gleichstromladen
Quelle: Fraunhofer IVI Quelle: Fraunhofer IVI
12 B atteri ebu sse 13
Infrastruktur – Betriebshöfe duell ermittelt werden. Pro 50 Busse ist mit einer Infrastruktur – Ladestationen Ladestationen werden fast ausschließlich mit auto-
Anschlussleistung von etwa zwei bis drei MVA zu matisierten Kontaktsystemen ausgestattet. Daher
Die Ladeinfrastruktur auf Betriebshöfen und i. d. R. rechnen. Ladestationen werden i. d. R. ebenfalls über Mittel- ist es notwendig, bei der Wahl der Standorte für die
auch Ladestationen außerhalb von Betriebshöfen spannungstransformatoren versorgt, da vorhandene Lademasten sicherzustellen, dass die Fahrzeuge inner-
werden über Mittelspannungstransformatoren an das Der Verlust von Stellplätzen variiert und hängt von der Niederspannungsnetze oft keine ausreichenden halb der Positionierungstoleranzen der automatisierten
Mittelspannungsnetz (10 oder 20 kV) angeschlossen. Positionierung der Ladegeräte und der Kabelzuführung Leistungsreserven aufweisen. Der Anschluss an ein Kontaktsysteme abgestellt werden können.
Die Leistung der Ladegeräte auf Betriebshöfen sowie ab. In jedem Fall sollte ein Verlust v on etwa 10 % Gleichspannungsnetz von z. B. Straßenbahnen ist unter
die resultierende Gesamtanschlussleistung ist von eingerechnet werden. bestimmten Bedingungen ebenfalls möglich.
verschiedenen Faktoren abhängig und muss indivi-
G rafik 4 Schematischer Aufbau der Ladeinfrastruktur auf einem Betriebshof G rafik 5 Schematischer Aufbau einer Ladestation mit Anschluss an ein 20 kV-Mittelspannungsnetz
AKS = automatisiertes Kontaktsystem
10 kV 400 VAC LS = Ladestation
MSSA = Mittelspannungsschaltanlage
MS / NS = Transformator AKS
10 kV
Transformator
MSSA MS / NS LS
Ladesteuerung
20 kV Umbauarbeiten für Positioniergenauigkeit
(z. B. Formbordsteine)
Quelle: Fraunhofer IVI Ladegerät Quelle: Fraunhofer IVI
14 B atteri ebu sse 15
Standardisierung und Kommunikation
Kosten Ladegeräte: Tabelle 2 Investitionskosten für Fahrzeuge – Anhaltswerte
ca. 500 – 800 €/kW maximale Ladeleistung
Wesentliche Festlegungen zu technischen Parametern zzgl. Installations- und Verkabelungsaufwand
finden sich in der IEC 61851-1, -23 und -23-1.
Kosten Ladestationen (1 x 300 kW): Midibusse Solobusse Gelenkbusse
ca. 350.000 – 450.000 €
Vollader 400.000 – 480.000 € 520.000 – 650.000 € k. a. D.¹)
Kommunikation von Ladegeräten bzw. -stationen und zzgl. Anschlusskosten und Baukostenzuschlag,
den Fahrzeugen: inkl. Lademast und bauliche Umgestaltung
Gelegenheitslader k. a. D.¹) 550.000 – 690.000 € 650.000 – 850.000 €
Mittelspannungstransformatoren:
IEC 61851–24 (Kommunikation Ladegerät – 1 MVA-Kompakttransformator: Batterien ²) 150.000 – 180.000 € 180.000 – 220.000 € 250.000 – 300.000 €
Fahrzeug) ca. 40.000 – 50.000 € zzgl. Installations- und
ISO/ IEC 15118 (High-Level Kommunikation Verkabelungsaufwand
Ladegerät – Fahrzeug – DC-Ladung)
2 MVA-Verteilertransformator:
VDV-Schriften 260 und insb. 261 ca. 80.000 – 120.000 €
(Kommunikation mit dispositiven Backend) komplett inkl. Technikgebäude Tabelle 3 Mittlerer Energieverbrauch – Stadtverkehr ³)
OCCP-Standard – Open Charge Point Protocol
Baukostenzuschläge:
(Kommunikation mit Managementsystem). ca. 40 – 80 € pro angemeldeter Kilowattstunde
Bezugsleistung
Midibusse Solobusse Gelenkbusse
Kosten Die Anschlusskosten hängen von der Verfügbarkeit Elektrische Heizung 1,3 kWh/km 1,5 kWh/km 1,8 kWh/km
eines leistungsfähigen Mittelspannungsanschlusses
Hybridheizung 1,1 kWh/km 1,3 kWh/km 1,6 kWh/km
Für eine erste Wirtschaftlichkeitsrechnung können ab. Bis zu einer Gesamtanschlussleistung von 4 MVA
0,03 l/km⁴) 0,04 l/km⁴) 0,06 l/km⁴)
0,2 €/kWh als Energiebezugskosten herangezogen können i. d. R. Anschlüsse an bestehende Leitungen
werden. Die Kosten für Wartung und Instandhaltung hergestellt werden. Darüber hinaus ist zumeist ein
liegen maximal 4 Cent/Fz-km unter denen von separater Anschluss an ein Umspannwerk notwendig.
Dieselbussen. Bis zum Vorliegen einer ausreichenden Datengrund-
lage sollten für die Wartungs- und Instandhaltungs-
maßnahmen der Ladeinfrastruktur jährlich 2,0 – 2,5 %
1) k. a. D. = keine ausreichende 2) ein Tausch während Der Energieverbrauch im Regionalverkehr
3) 4) Heizöl
der Investitionskosten angesetzt werden. Datengrundlage Nutzungszeit des Busses liegt unter den angegebenen Werten.16 17
3 Brennstoffzellenbusse
grafik 6 Übersicht über Brennstoffzellenbusse
Dacharbeitsstand im Betriebshof Hamburg Alsterdorf Brennstoffzelle als Hauptenergiequelle („BSZ-Hybrid“)
Quelle: Hamburger Hochbahn AG
₂-Betankung auf dem Betriebshof oder an
H
Tankstellen Dritter
keine Ladeinfrastruktur notwendig
Reichweiten decken bereits viele betriebliche
Anforderungen ab.
So nicht bereits vorhanden, ist die Anschaffung von Notwendige Schulungen unterteilen sich in verschie-
Dacharbeitsständen inkl. Krananlage (ca. 1,0 t Trag- dene Stufen und Mitarbeiterkategorien (insb. Fahrer
last) notwendig. Je nach Ausführung entstehen dabei und Werkstattpersonal). Dabei ist in allgemeine Brennstoffzelle als Rangeextender („BSZ-REX“)
Kosten von etwa 75.000 – 220.000 € pro Dacharbeits- Schulungen zum Umgang mit Hochvoltanlagen und
achladung der Batterien auf dem Betriebshof
N
stand. Zusätzlich sind Spezialwerkzeuge für Arbeiten fahrzeugspezifischen Schulungen zu unterscheiden. H₂-Betankung auf dem Betriebshof oder an
an Hochvoltanlagen sowie persönliche Schutzaus Die anfallenden Schulungskosten variieren in Abhän- Tankstellen Dritter
Reichweiten decken bereits viele betriebliche
rüstungen zu beschaffen. Die Kosten hierfür variieren, gigkeit von der Anzahl zu schulender Mitarbeiter und Anforderungen ab.
gemessen an den Aufwendungen für Batteriebusse dem Schulungskonzept. Die Kosten sind im Vergleich
und für die Ladeinfrastruktur sind sie jedoch fast ver zu den Investitionskosten für die Fahrzeuge und die
nachlässigbar. Ladeinfrastruktur jedoch eher gering.
Quelle: Fraunhofer IVI18 Brenn stoffz ell enb u sse 19
BSZ-REX verfügen über eine deutlich größere und PEM-Brennstoffzellen haben auf Zellebene einen Wasserstoffverbrauch anzusetzen:
extern geladene Batterie (> 200 kWh) und nutzen elektrischen Wirkungsgrad von etwa 60 %, der jedoch BSZ-Hybrid 12 m: ca. 0,09 – 0,1 kg / km
primär die darin gespeicherte Energie zum Antrieb durch periphere Systeme (z. B. Kühlung) noch deutlich BSZ-Hybrid 18 m: ca. 0,12 – 0,14 kg / km
des Fahrzeugs. Die BSZ sorgt für eine kontinuierliche herabgesetzt wird. Die Betriebstemperaturen von BSZ-Rex 12 m: ca. 0,04 – 0,05 kg / km
Nachladung der Batterie während des Betriebs und PEM-Brennstoffzellen liegen im Bereich von 60 – 90°C, (zzgl. Elektroenergie für die Batterieladung)
vergrößert so die Reichweite des Fahrzeugs. Durch weshalb die Abwärme für das Heizen der Fahrzeuge BSZ-Rex 18 m: ca. 0,08 – 0,09 kg / km
diesen kontinuierlichen, statischen Betrieb der Brenn- genutzt werden kann. (zzgl. Elektroenergie für die Batterieladung)
stoffzelle kann sie im Vergleich zu BSZ-Hybrid-Bussen
Beispiel für Typ 4-Druckbehäter für Wasserstoff
Quelle: Hexagon deutlich kleiner dimensioniert werden (ca. 30 kW für Für die Betankung eines Solobusses (12 m) sind
Solobusse). Wasserstoffinfrastruktur somit rund 25 kg und für einen Gelenkbus etwa 33 kg
Wasserstoff pro Tag vorzuhalten (jeweils 250 km /d,
Beide Antriebsformen weisen typischerweise Wasserstofferzeugung / Quellen: BSZ-Hybrid).
Reichweiten von 300 – 400 km auf und sind damit für
Wasserstoff entsteht als Beiprodukt bei verschiedenen
Brennstoffzellenbusse verfügen ebenfalls über einen den Stadt- und Regionalverkehr geeignet. Für die Wasserstoffinfrastruktur – Bereitstellung von
Prozessen in der chemischen Industrie oder wird aus
Elektromotor der das Fahrzeug antreibt. Die dafür Betankung eines Brennstoffzellenbusses werden je Wasserstoff
Erdgas mittels Dampfreformierung bzw. durch die
notwendige Elektroenergie wird vollständig oder teil- nach Tankgröße und Restwasserstoffinhalt ca. 10 min
Elektrolyse von Wasser gewonnen. Je nach Größe der Die Bereitstellung von Wasserstoff kann über
weise durch die Brennstoffzelle (BSZ) bereitgestellt. benötigt. Die Kommunikation zwischen der Tankstelle
Busflotte und den lokalen Randbedingungen (Nähe zur verschiedene Wege erfolgen:
und den Fahrzeugen ist in den Normen SAE J2799 und
chemischen Industrie, Nähe zu einem Windpark usw.)
Der BSZ-Hybrid besitzt eine kleine Batterie, deren das Betankungsprotokoll in SAE J2601 geregelt.
kann die Entscheidung entweder für einen Bezug Anlieferung von gasförmigem Wasserstoff mit
Aufgabe es ist, durch die BSZ bereitgestellte Energie
des Wasserstoffs von Dritten oder für die eigene Her Trailern (200 – 500 bar / 400 – 1.200 kg H₂)
zwischen zu speichern und bei Bedarf zusätzliche Leis- In Europa kommerziell verfügbare Linienbussen sind
stellung ausfallen. Anlieferung von flüssigem Wasserstoff mit Trailern
tung für den Antriebsstrang bereitzustellen. Weiterhin ausschließlich mit sog. Protonenaustauschmembran-
(bis zu 4.000 kg H₂)
nimmt sie beim Bremsen durch Rekuperation gewon- Brennstoffzellen (kurz PEMFC für Proton Exchange
Wasserstoffbedarf: Anlieferung per Rohrleitung (nur bei unmittelbarer
nene Energie auf. Als Hauptenergiequelle dient eine Membrane Fuel Cell) ausgestattet. Diese erzeugen aus
Nähe zum Erzeuger)
leistungsfähige BSZ (und damit Wasserstoff). Für einen Wasserstoff und Luftsauerstoff elektrische Energie.
Der tägliche Wasserstoffbedarf ergibt sich aus der Vor-Ort-Erzeugung (i. d. R. PEM-Elektrolyse)
12 m-BSZ-Hybrid-Bus liegt die BSZ-Leistung zwischen Als Abprodukte entstehen bei diesem Vorgang Wasser
Anzahl der Fahrzeuge, deren Größe sowie den Fahr- Nutzung von geeigneten Tankstellen Dritter,
60 und 85 kW. und Wärme.
leistungen. Dabei ist mit Blick auf die Versorgungssi- insb. bei kleineren Busflotten.
cherheit pro Fahrzeugkilometer folgender spezifischer20 Brenn stoffz ell enb u sse 21
Wasserstoffinfrastruktur – Tankstelle gasförmig vor. Er wird i. d. R. nicht in das Fahrzeug Die Größe der Speicher und die Leistungsfähigkeit jedoch nach Möglichkeit im Freien angeordnet werden
gepumpt, sondern strömt aufgrund des Druckunter- der Verdichter richten sich primär nach der Größe der (Aufstellung in Containern). Bei der Ermittlung des
Unabhängig davon, ob der Wasserstoff durch D
ritte schiedes zwischen dem Speichertank der Tankstelle Busflotte und der gewünschten Versorgungssicherheit. Platzbedarfs sind die Sicherheitsabstände zu Nachbar-
angeliefert oder vor Ort selbst erzeugt wird, ist und den Druckbehältern auf der Fahrzeugseite in das Eine Zwei-Tages-Bevorratung kann als guter Kompro- grundstücken und Verkehrsflächen zu beachten.
eine Tankstelle vonnöten. Wasserstoff liegt zumeist Fahrzeug über. miss zwischen Wirtschaftlichkeit und Versorgungs
sicherheit angesehen werden. Insbesondere die Verdichtung von Wasserstoff auf
500 bar aber ggf. auch die Wasserstofferzeugung vor
Die Komponenten einer Wasserstoffinfrastruktur Ort setzen einen leistungsfähigen Anschluss an das
grafik 7 Schematischer Aufbau einer Wasserstofftankstelle – dargestellt in verschiedenen Varianten
können in Betriebshöfen aus technischer Sicht flexibel Stromnetz voraus.
GH₂-Trailer (500 bar)
G rafik 8 Flächenbedarf für Wasserstoffinfrastruktur in Betriebshöfen – Richtwerte
Überströmen – Konventioneller Speicher
Hochdruck
< 350 Mitteldruck Tankstelle Tankstelle & Elektrolyseur
bar
Niederdruck
1.200
Vor-Ort-Erzeugung Überströmen – Konstantdruckspeicher
Vorkühler 1.000
GH₂-Trailer < 350 Konstantdruck-Speicher
Flächenbedarf (m²)
800
bar
GH₂-Pipeline 600
Booster – Verdichter
Booster 400
< 350 LH₂ = verflüssigter Wasserstoff 200
bar
GH₂ = verdichteter, gasförmiger
Wasserstoff 0
LH₂-Speicher Kyropumpe Verdampfer/Wärmeübertrtrater 5 10 20 30 40 50 5 10 20 30 40 50
133 266 532 798 1.064 1.130 133 266 532 798 1.064 1.130
LH₂-Trailer
Flottengröße (Fz) H₂-Bedarf (kg/d)
Quelle: Sphera Solutions GmbH Quelle: Sphera Solutions GmbH22 Brenn stoffz ell enb u sse 23
Kosten bis zum Vorliegen ausreichender Daten von in etwa
G rafik 9 Indikative Kosten für die Errichtung der Wasserstoffinfrastruktur
gleichen Kosten oder Kostenvorteilen für Dieselbusse
Wasserstoff ist je nach örtlichen Gegebenheiten für von 5 – 10 Cent/Fz-km ausgegangen werden.
Infrastrukturkosten BSZ-Hybrid Infrastrukturkosten BSZ-REX
etwa 5,50 bis 9,00 €/kg erhältlich. Bei einem spezifi-
schen Wasserstoffverbrauch von 0,075 kg/km ergeben Die Investitionskosten für die Wasserstoffinfrastruktur 14
sich somit Kosten von rund 41 – 68 €/100 km. Der ergeben sich primär aus der Frage, ob Wasserstoff 12
Preis für mittels Elektrolyse erzeugten Wasserstoff vor Ort erzeugt werden soll. Darüber hinaus spielen
10
hängt dabei unmittelbar von den Energiebezugskosten örtliche Gegebenheiten sowie die Flottenzusammen-
Kosten (Mio. €)
für dessen Erzeugung ab und wird bei fallenden Strom- setzung eine Rolle. 8
preisen, Umlagen und Abgaben sinken. 6
Die Wartungs- und Instandhaltungskosten hängen vom
4
Zu Wartungs- und Instandhaltungskosten von Brenn- abgeschlossenen Service-Vertrag ab und belaufen sich
stoffzellenbussen liegen derzeit noch keine aus- jährlich auf etwa zwei bis fünf Prozent der Investiti- 2
reichenden Erkenntnisse vor. Ein großer Teil dieser onskosten. 0
Kosten ist jedoch nicht antriebsspezifisch. Daher sollte
5 10 20 30 40 50 5 10 20 30 40 50
Beim Einsatz von BSZ-REX-Fahrzeugen fallen zusätz-
lich Kosten für die Ladeinfrastruktur an!
Tankstelle Tankstelle und Elektrolyseur Ladeinfrastruktur
Tabelle 4 Investitionskosten für Fahrzeuge – Anhaltswerte
Quelle: Sphera Solutions GmbH
Solobusse Gelenkbusse ¹)
Hinzu kommen Kosten für die Ertüchtigung von Abstell- Ergänzend zu den Schulungsmaßnahmen für Batterie-
BSZ-Hybrid/BSZ-REX 580.000 – 650.000 € 800.000 – 850.000 €
hallen und Werkstätten (Belüftung, Wasserstoffwarn- busse ist die Sensibilisierung bzgl. Wasserstoff not-
1) nur geringe Datengrundlage
Batterie ² für BSZ-Hybrid
)
50.000 – 60.000 k. a. D.³ )
anlage) sowie die Ausrüstung der Werkstätten mit z. B. wendig. Werkstattpersonal ist zusätzlich im Umgang
2) e in Tausch während der
Nutzungszeit des Busses; ggf. Dacharbeitsständen, die sich in Summe auf mehrere mit Gasanlagen zu schulen.
Brennstoffzelle ²) 100.000 – 140.000 € k. a. D.³) über Servicevertrag
Zehn- bis mehrere Hunderttausend Euro belaufen
3) k . a. D. = keine ausreichende
Datengrundlage
können.24 O berleitu ng sbu sse 25
4 Oberleitungsbusse Oberleitungsbusse, häufig auch als Trolleybusse
bezeichnet, sind eine seit Jahrzehnten erprobte und
robuste Technologie, die ihre Eignung in vielen
Städten der Welt bereits nachgewiesen hat. Sie sind
insb. auf stark befahrenen Linien eine Alternative
zu anderen Antriebsformen, da dort die Infrastruktur
grafik 1 0 Überblick über die Betriebsstrategie von Oberleitungsbussen
durch viele Fahrzeuge genutzt wird, womit sich deren
Kosten auf mehr Fahrzeug-Kilometer verteilen. Hybrid-Oberleitungsbus in Gdynia
Quelle: VCDB GmbH
Hybrid-Oberleitungsbusse verfügen über eine ausrei-
chend große und leistungsfähige Batterie, um längere Hybrid-Oberleitungsbusse sind daher insb. für die
Konventionelle Oberleitungsbusse
Distanzen abseits von Oberleitungen mit normaler Verlängerung bestehender Oberleitungsbus-Linien und
Geschwindigkeit zurücklegen zu können. Die tatsäch- die Vermeidung von Oberleitungen in städtebaulich
berleitungen entlang gesamter Strecke,
O
auf den Wegen zum Betriebshof und i. d. R. lich zurücklegbaren Entfernungen ohne Oberleitung sensiblen Bereichen geeignet. Der Anteil einer Linie,
im Betriebshof notwendig hängen ab von der mit Oberleitungsabschnitten versehen werden
Hilfsfahraggregat oder Batterie nur für
Fahrten mit verminderter Leistung über muss, hängt von den örtlichen Gegebenheiten ab. Als
kurze Distanzen geeignet
der Fahrzeugkonfiguration, speziell der Faustregel kann gelten, dass mindestens etwa 40 bis
Batteriegröße, 50 % einer Linie mit Oberleitungen versehen werden
der Fahrzeugauslastung, den Reisegeschwindig- müssen.
keiten und dem Höhenprofil auf Abschnitten ohne
Hybrid-Oberleitungsbusse
Oberleitung sowie Hybrid-Oberleitungsbusse setzen ein sicheres Ein- und
Oberleitungen nur teilweise notwendig
längeren Aufenthalten an Endhaltestellen ohne Ausdrahten der Stromabnehmer voraus, wobei zumin-
Oberleitungen im Betriebshof nur zur
Oberleitung. dest das Eindrahten nur im Stand möglich ist:
Nachladung
Batterie ermöglicht Fahrten mit voller
Leistung
kein Hilfsfahraggregat verbaut
händisches Eindrahten über Fangseile (ggf. unter-
stützt durch kleine Eindrahttrichter),
halbautomatisches Eindrahten mittels Eindraht-
trichter,
automatische Eindrahtsysteme.26 O berleitu ng sbu sse 27
Oberleitungsinfrastruktur Gleichrichterunterwerke wandeln die auf der Netzseite Tabelle 5 Investitionskosten für Fahrzeuge – Anhaltswerte
anliegende Wechselspannung in Gleichstrom (i. d. R.
Die Oberleitungsnetze sind in einzelne elektrisch 580 – 750 VDC) um. Mit einem Gleichrichterunterwerk
voneinander getrennte Speiseabschnitte unterteilt und kann je nach Anzahl der Fahrzeuge ein Speiseabschnitt
Solobusse Gelenkbusse
bestehen aus mit einer Länge von etwa 4 – 5 km versorgt werden,
wobei die Oberleitungen über Speiseleitungen mit den Konventionelle Oberleitungsbusse 540.000 – 610.000 € 580.000 – 750.000 €
Gleichrichterunterwerken zur Bereitstellung der Gleichrichterunterwerken verbunden sind. Besteht ein
Hybrid-Oberleitungsbusse 580.000 – 670.000 € 720.000 – 950.000 €
Gleichspannung, Gleichrichterunterwerk aus mehreren Abgangsfeldern, 1) ein Tausch während d er
Speiseleitungen sowie können damit mehrere Speiseabschnitte bedient Batterien ¹) 70.000 – 90.000 € 90.000 – 110.000 € Nutzungszeit des Busses
den an Masten angebrachten Oberleitungen. werden.
Kosten
Die Kosten für Oberleitungssysteme hängen stark von Überschläglich fallen Kosten von etwa 750.000 –
den örtlichen Gegebenheiten ab, insbesondere von 1,2 Mio. € pro Doppelkilometer Oberleitung (Hin-
Die Investitionskosten sind für konventionelle und
und Rückrichtung) inkl. Gleichrichterunterwerk u nd
Hybridoberleitungsbusse verschieden. Die Wartungs-
der Streckenführung (gerade Strecke vs. Kurven, Speiseleitungen an. Können aufwändige Aufhänge-
und Instandhaltungskosten von Oberleitungsbussen
Plätze und weiträumige Kreuzungen), vorrichtungen (z. B. auf weiträumigen Kreuzungen)
liegen etwa 4 Cent / Fz-km unter denen von Diesel
den Anschlussbedingungen der Gleichrichter sowie Weichen und Kreuzungen weitgehend durch
bussen. Die Verfügbarkeit ist in etwa gleich. Der
unterwerke sowie den Einsatz von Hybrid-Oberleitungsbussen vermie-
spezifische Energieverbrauch pro Kilometer ist mit
der Notwendigkeit kostenintensiver Oberleitungs- den werden, sinken die Kosten für die Infrastruktur
dem von Batteriebussen vergleichbar.
komponenten wie Weichen und Kreuzungen. signifikant ab.
Die jährlichen Wartungs- und Instandhaltungskosten
belaufen sich auf etwa 2,0 bis 2,5 % der Investitions-
Beispiel für eine Oberleitung im Betriebshof inkl. Eindrahttrichter
kosten.
Quelle: VCDB GmbH28 K erntechnologi en elektri s ch angetri ebener B u sse 29
5 Kerntechnologien elektrisch
angetriebener Busse
Energiespeicher – Batterien
Nutzungsdauer bzw. Zyklenfestigkeit (Anzahl der Grafik 11 Gravimetrische Energie- und Leistungsdichten von Batteriezellen
vollständige Lade- und Entladevorgänge bis zum
Bei der Ladung von Batteriezellen wird anliegende Erreichen des definierten Nutzungsendes)
elektrische Energie in chemische Energie gewandelt.
Sicherheit er
ow r y
igh
P
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H Ze h Po e r h En
Bei der Entladung durch das Anschließen eines Ver-
Kosten rC ap ry
Ve H I₂ ( Hig lym Hig
pe d n
Io NiM NiC Ion -Po Ion
Su Pb NiC Li- Na Li- LiM Li-
brauchers wird die gespeicherte chemische Energie
in elektrische Energie zurückgewandelt. Bis dato ist es noch nicht gelungen, in mobilen
Anwendungen verwendbare Batterien zu entwickeln,
Batterien für mobile Anwendungen bestehen i. d. R. die sowohl hohe Energie- als auch Leistungsdichten 100.000
Leistungsdichte (W / kg)
aus mehreren Modulen, die sich wiederum aus aufweisen. Deshalb wird häufig in High-Energy- und
in Reihe und/oder parallel zusammengeschalteten High-Power-Batterien unterschieden. 10.000
Batteriezellen zusammensetzen. Es existiert eine
Vielzahl unterschiedlicher Zelltypen (Zellchemie), Bei Batterien ist zwischen nominalem sowie nutz 1.000
die sich hinsichtlich der für mobile Anwendungen barem Energieinhalt zu unterscheiden. Ein vollständiges
wesentlichen Eigenschaften unterscheiden: Laden bzw. Entladen einer Batterie führt u. a. zu einer 100
vorschnellen Alterung, weshalb Batterien grundsätz-
Energiedichte (Wh/kg bzw. Wh/l, woraus sich der lich nur in sog. Ladefenstern betrieben werden. Als 10
Energieinhalt ableitet) Faustregel gilt, dass ca. 70 bis 85 % des nominalen
Leistungsdichte (W/kg bzw. W/l, woraus sich die Energieinhaltes nutzbar ist. 1
Lade- und Entladeleistungen ergeben) 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250
Energiedichte (Wh / kg)
Quelle: Fraunhofer IVI30 K erntechnologi en elektri s ch angetri ebener B u sse 31
Die Ladeleistung bestimmt die Energiemenge, die in eine Batterie in genau einer Stunde vollständig nach- Die Entladeleistung ist i. d. R. ausreichend, um die einem sog. Zellbalancing unterworfen werden, bei
einer bestimmten Zeit in eine Batterie eingespeichert geladen wäre. Zu beachten ist, dass Batterien nicht Fahrzeuge zu beschleunigen und parallel die Neben dem die Ladezustände der einzelnen Zellen ausgegli-
werden kann. Sie kann mit Kilowatt als Absolutwert über das gesamte Ladefenster hinweg mit der vollen aggregate zu betreiben. chen werden. Das Balancing wird automatisch vom
oder über die sog C-Rate angegeben werden. C-Rate = Ladeleistung geladen werden können. Batteriemanagementsystem (BMS) durchgeführt.
1 bzw. 1C entspricht demjenigen Ladestrom, mit dem Batteriezellen altern unterschiedlich und sind auch nie
zu 100 % baugleich. Dadurch kommt es beim Laden Batterien unterliegen sowohl einer kalendarischen als
und Entladen zu Unterschieden beim Ladezustand der auch einer nutzungsbedingten Alterung, wobei i. d. R.
einzelnen Zellen. Daher müssen Batterien regelmäßig die Alterung durch Nutzung überwiegt. Batterien gel-
ten per Definition für mobile Anwendungen als nicht
grafik 1 2 Typischer Verlauf der Ladeleistung in Abhängigkeit vom Ladezustand (SOC)
mehr nutzbar, wenn die Speicherfähigkeit auf 80 %
des Wertes im Neuzustand abgesunken ist. Bei einer
normalen Nutzung der Batterien (ca. 60.000 km/a)
6 werden heute bereits Nutzungszeiten von sechs bis
Batteriespannung
acht Jahren erreicht.
neuwertige Batterie
5
gealterte Batterie
Obwohl die Kosten für Batteriezellen in den letzten
Batteriespannung U (V)
4 Jahren enorm gesunken sind, stellen Batterien bei
C-Rate / E-Rate
E-Rate Batteriebussen den mit Abstand größten Einzelkosten-
3 neuwertige Batterie punkt dar. Dabei sind jedoch enorme Preisunterschiede
gealterte Batterie
zu verzeichnen:
2
C-Rate
High-Energy-Batterien: ca. 650 – 750 € / kWh
1
neuwertige Batterie
High-Power-Batterien. ca. 800 – 1.200 € / kWh
gealterte Batterie
0
Für die Zukunft werden weitere Preisdegressionen
0 20 40 60 80 100 maximale Ladeleistung vorhergesagt, jedoch ist dabei zu beachten, dass diese
Ladezustand SOC (%) sich zumeist auf Zellen oder auf Batterien für den
Massenmarkt der Pkw beziehen.
Quelle: Fraunhofer IVI32 K erntechnologi en elektri s ch angetri ebener B u sse 33
Brennstoffzellen Aufgrund der Empfindlichkeit der Membran gegenüber
Unter anderem durch die Hybridisierung mit Batterien Nutzungsdauer von bis zu 30.000 Betriebsstunden und
ist es im letzten Jahrzehnt gelungen, die Nutzungs- damit etwa sechs bis acht Jahre, was jedoch immer
Verschmutzungen benötigen PEM-Brennstoffzellen
dauer von PEM-Brennstoffzellen deutlich zu erhöhen. noch einen Tausch während der Busnutzungszeit nach
sehr reinen Wasserstoff, was in der Norm SAE J2719
Moderne PEM-Brennstoffzellen erreichen bereits eine sich zieht.
Bei Brennstoffzellen von in Europa kommerziell geregelt ist. Abweichungen davon können von Herstel-
verfügbaren Linienbussen handelt es sich ausschließ- ler zu Hersteller möglich sein. Da sehr reiner Wasser-
lich um sog. Protonenaustauschmembran-Brennstoff- stoff nicht überall verfügbar ist, sollte im Vorfeld einer
zellen (kurz PEMFC für Proton Exchange Membrane Ausschreibung geprüft werden, ob und zu welchen
Fuel Cell). PEM-Brennstoffzellen bestehen aus zwei Kosten dieser zu beziehen ist, bzw. welche Abwei-
durch eine Membran getrennte Elektroden. Die chungen von der o. g. Norm zulässig sind. G rafik 1 3 P
rinzipieller Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle
Membran dient dabei als Ionenleiter, wobei nur die
Wasserstoffprotonen durchgelassen werden, um mit In Bussen verbaute PEM-Brennstoffzellen haben,
zuvor durch Elektronen reduziertem Sauerstoff der Luft sofern sie als Hauptenergiequelle dienen, i. d. R.
eine chemische Reaktion einzugehen. Als Abprodukte eine elektrische Leistung zwischen 60 und 85 kW und
4e-
entstehen bei diesem Vorgang Wasser und Wärme. können somit auftretende Leistungsspitzen nicht ab- 4e-
AnOde Kathode
decken. Ebenso sind PEM-Brennstoffzellen nicht für
PEM-Brennstoffzellen haben auf Zellebene einen hohe Leistungsdynamiken, wie sie im DC-Zwischen-
elektrischen Wirkungsgrad von etwa 60 %, der jedoch kreis elektrisch angetriebener Fahrzeuge zu finden H H
durch periphere Systeme (z. B. Kühlung) noch deutlich sind, ausgelegt. Daher ist es notwendig, stark anstei- H O
herabgesetzt wird. Die Betriebstemperaturen von gende und abfallende Leistungen sowie Leistungs- 2H₂ H
O O₂
PEM-Brennstoffzellen liegen im Bereich von 60 – 90°C, spitzen mithilfe einer Batterie abzufangen, wobei es
weshalb die Abwärme für das Heizen der Fahrzeuge sich um High-Power-Batterien mit einem nominellen
O
H
genutzt werden kann. Energiegehalt von etwa 28 – 40 kWh bei Solobussen
H H H 2H₂O
handelt. O
PEM = Polymer Electrolyte Membrane34 K erntechnologi en elektri s ch angetri ebener B u sse 35
Antriebsmotoren Bei der Bewertung der Antriebsmotoren ist zwischen grafik 1 4 Summenkurve der Tagesmitteltemperaturen – Berlin Alexanderplatz
der Dauerleistung sowie der Spitzenleistung zu unter-
Alle beschriebenen Antriebsformen verfügen über scheiden. Bei der Spitzenleistung, die insb. für lange
einen oder mehrere elektrische Antriebsmotoren. Die Steigungsstrecken von Bedeutung ist, muss deren 100 %
Konzepte unterscheiden sich in erster Linie bzgl. ihrer Zeitdauer beachtet werden. 90 %
Lage gegenüber den Rädern. 80 %
70 %
60 %
50 %
Tabelle 6 Formen von Antriebsmotoren 40 %
30 %
20 %
10 %
Zentralmotor r obust und kostengünstig
niedrigere Energieeffizienz
- 20 - 10 0 10 20 30 40
Tagesmitteltemperaturen (° C)
¹)
Radnahe Motoren h ohe Packagingflexibilität Quelle: Fraunhofer IVI anhand von DWD-Daten
hohe Energieeffizienz
²)
Heizung, Klimatisierung, Reichweite, insb. von Batteriebussen, und damit auf
Radnabenmotoren h ohe Packagingflexibilität Druckluftverbrauch Betriebskonzepte und Kosten. Als Ausgangspunkt der
höchste Energieeffizienz 1) Quelle: Siemens Überlegungen dienen die lokalen Temperaturvertei-
2) Quelle: ZF lungen sowie Vorgaben zur Innenraumtemperatur von
Heizung und Klimatisierung
3) Quelle: Ziehl-Abegg Linienbussen. Für Außentemperaturen sollte dabei
³)
Die Art der Klimatisierung und die verwendete nicht auf Maximalwerte zurückgegriffen werden.
Heiztechnologie haben enorme Auswirkungen auf die36 K erntechnologi en elektri s ch angetri ebener B u sse 37
grafik 1 5 Behaglichkeitskennfeld gemäß VDV-Schrift 236
Druckluftverbrauch
Druckluft ist eine vergleichsweise ineffiziente Ener-
giespeicherform, weshalb insb. das Kneelingregime
40
(Zwangskneeling an jeder Haltestelle vs. Kneeling
35 bei Bedarf) für Batteriebusse in Hinblick auf Reich-
Sollwert: Innenraumtemperatur (° C)
30 weitenreduzierungen genau abzuwägen ist.
25
20
15
10
5
- 15 - 10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40
Außentemperatur (° C)
Quelle: VDV
Moderne Wärmepumpen reduzieren den Energie Übergangszeit erwogen werden. Da bei Brennstoffzel-
verbrauch für die Beheizung der Fahrzeuge, verringern lenbussen die Abwärme der Brennstoffzelle genutzt
aber trotzdem die Reichweite, an kalten Tagen ca. werden kann, ist deren Reichweite weniger von der
um ein Drittel. Die Kombination mit einer Brennstoff Außentemperatur abhängig.
heizungen (Hybridheizung) sollte daher für eine38 Klimawirk u ng 39
6 Klimawirkung
Tabelle 7 CO₂-Einsparungen durch den Einsatz alternativer Antriebsformen im Vergleich zu Dieselbussen
Alle beschriebenen Antriebsformen gelten als lokal Laut Umweltbundesamt wurden in Deutschland im
emissionsfrei, jedoch sagt dies nichts über die Klima- Jahr 2019 pro verbrauchter Kilowattstunde Elektro
wirkung im Vergleich zu Dieselbussen aus, da der Ort energie etwa 427 g CO₂ emittiert. Wird die Elektro
Dieselbus Rein elektrische BSZ-Hybrid BSZ-REX 1)
von Treibhausgas-Emissionen für das Klima keine Rolle energie ausschließlich aus erneuerbaren Quellen Antriebe
spielt. Treibhausgase entstehen erzeugt, sinkt dieser Wert auf etwa 65 g ab, da
Verbrauch pro 100 km 2) 40 l / 55 l 130 kWh / 170 kWh 8 kg H₂ / 12 kg H₂ 90 kWh / 120 kWh
hierbei die CO₂-Emissionen für die Herstellung von
2,4 kg H₂ / 3,6 kg H₂
bei der Produktion der Fahrzeuge bzw. von Produktionsanlagen mit einzurechnen sind.
Ersatzteilen, CO₂-Emissionen pro 100 km
bei der Erzeugung und Bereitstellung von Wird Wasserstoff mittels Dampfreformierung aus z. B.
Diesel 119,6 kg / 164,5 kg 3)
Kraftstoffen, Elektroenergie bzw. Wasserstoff Erdgas erzeugt und durch Busse verbraucht, entste
(Vorkette) sowie hen pro Kilogramm Wasserstoff rund 10 kg CO₂ ¹). Der Strommix Deutschland 55,5 kg / 72,5 kg 194,4 kg / 291,6 kg 4) 96,8 kg / 138,7 kg 4)
bei deren Verbrauch in den Fahrzeugen. Verbrauch von mittels Elektrolyse erzeugtem Wasser-
nur regenerative Quellen 8,5 kg / 11,0 kg 29,6 kg / 44,4 kg 4) 14,7 kg / 21,1 kg4)
stoff ist mit 24,3 (Strommix Deutschland) bzw. 3,7 kg
Bei Bussen sind aufgrund der hohen Fahrleistungen (regenerative Quellen) CO₂ pro Kilogramm Wasserstoff Einsparungen zu Dieselbus
der Verbrauch und damit auch die Vorkette dominie- verbunden.
Strommix Deutschland 64,1 kg / 92,0 kg -74,8 kg / -127,1 kg 4) 22,8 kg / 25,8 kg 4)
rend.
Wie die Ergebnisse der nachfolgenden Übersicht nur regenerative Quellen 111,1 kg / 153,5 kg 90,0 kg / 120,1 kg 4) 104,9 kg / 143,4 kg 4)
Maßgebend für die Klimawirkung der beschriebenen zeigen, vermeiden rein elektrisch angetriebene Busse
Antriebsformen ist die Art der Elektroenergie sowie BSZ-REX-Busse bereits unter der Annahme
erzeugung sowie die Erzeugungsform von Wasserstoff. des deutschlandweiten Strommixes verglichen mit
Dieselbussen CO₂-Emissionen. BSZ-Hybrid-Busse sind
1) rein elektrische Reichweite: 175 km, Gesamtfahrweite: 250 km pro Tag
hingegen nur klimafreundlicher, wenn der Wasser-
2) Solobus / Gelenkbus
stoff entweder mittels Dampfreformierung oder durch
3) 2,99 kg CO₂ pro Liter Diesel inkl. Vorkette
1) Quelle: Sphera Solutions GmbH Einsatz von regenerativ erzeugter Elektroenergie
4) mittels Elektrolyse erzeugter Wasserstoff
hergestellt wurde.Überblick über di e A ntri ebsformen 41
7 Überblick über die Antriebsformen Gleichspannungs-
Wechselrichter Oberleitung
wandler
Brennstoffzelle Elektromotor Bremswiderstand
Tabelle 8 Überblick über die Antriebsformen Ladegerät Ladestation
Volllader Gelegenheitslader Pulslader Brennstoffzellenbusse (Hybrid)Oberleitungsbusse
Schematischer Aufbau
bzw.
DC-Zwischenkreis
DC-Zwischenkreis DC-Zwischenkreis
24 VDC 400 VAC 24 VDC 400 VAC 24 VDC 400 VAC
Reichweite1) ca. 150 – 180 km (elektr. Heizung) unbegrenzt, wenn ausreichende unbegrenzt, wenn ausreichende ca. 300 – 400 km unbegrenzt, wenn ausreichende Fahrzeiten unter Oberleitungen
ca. 200 km (Hybridheizung) Ladezeiten zur Verfügung stehen Ladezeiten zur Verfügung stehen zur Verfügung stehen
perspektivisch: 2 50 km (2025)
300 km (2030)
Fahrzeugmehrbedarf 2) mittel (abhängig von Reichweite gering – mittel (abhängig von gering gering gering
und Betriebsabläufen) Betriebsabläufen)
Flexibilität innerhalb von Reichweite hoch gebunden an Endhaltestellen mit gebunden an Haltestellen mit innerhalb von Reichweite hoch (teilweise) gebunden an Strecken mit Oberleitungen
Ladestationen Ladestationen
Batterie große Batterie (High-Energy) möglichst große Batterie kleine Batterie (High-Power) Größe abhängig vom Konzept kleine Batterie (High-Power)
(High-Energy / High-Power)42 Überblick über di e A ntri ebsformen 43
Volllader Gelegenheitslader Pulslader Brennstoffzellenbusse (Hybrid)Oberleitungsbusse
Infrastruktur Ladeinfrastruktur in Betriebshöfen Ladeinfrastruktur in Betriebshöfen Ladeinfrastruktur in Betriebshöfen Lager- und Tankinfrastruktur in Betriebshöfen Oberleitungsinfrastruktur in und außerhalb von Betriebshöfen
und an Endhaltestellen und an Haltestellen Ladeinfrastruktur bei BSZ-REX
Städtebauliche Integra keine Infrastruktur außerhalb von i. d. R. möglich in Innenstadtbereichen a bhängig insb. in Innenstadtbereichen abhängig von
tion der Infrastruktur Betriebshöfen von Platzreserven keine Infrastruktur außerhalb von Betriebshöfen Straßenraumgestaltung und -umfeld
Kosten Fahrzeuge Solobus: 520 – 650 T€ Solobus: 550 – 690 T€ k. a. D.7) Solobus: 580 – 650 T€ Solobus: 540 – 670 T€
(Anhaltswerte) Gelenkbus: k. a. D.7) Gelenkbus: 650 – 850 T€ überschläglich Kosten von Gelenkbus: 800 – 850 T€ Gelenkbus: 580 – 950 T€
Batterie: 200 T€ / 300 T€ Batterie: 180 T€ / 300 T€ Gelegenheitsladern nutzbar Batterie: 50 – 60 T€ Batterie: 80 T€ / 100 T€
BSZ: 100 – 140 T€
Betriebskosten4): geringer Betriebskosten4): geringer Betriebskosten4): geringer Betriebskosten4): höher Betriebskosten4): geringer
Personalkosten5): höher Personalkosten5): etwa gleich Personalkosten5): etwa gleich Personalkosten5): etwa gleich Personalkosten5): etwa gleich
Kosten Infrastruktur Ladegerät (150 kW): 75 T€ Ladegerät (75 kW): 55 T€ Ladegerät (50 kW): 45 T€ 5 – 6 Mio. € für 50 Busse bei Anlieferung von Wasserstoff 750 T – 1,2 Mio. € pro Doppelkilometer
Für 50 Busse zzgl. Verkabelung: Für 50 Busse zzgl. Verkabelung: Für 50 Busse zzgl. Verkabelung: 10 – 14 Mio. € für 50 Busse bei Eigenerzeugung von Wasserstoff i. d. R. geringer bei Einsatz von Hybrid-Oberleitungsbussen
ca. 3,75 Mio. € ca. 2,75 Mio. € ca. 2,25 Mio. €
zzgl. Transformatoren und Netz Ladestation (300 kW): 400 T€ Ladestation (450 kW): 450 T€ jährliche Kosten: 2 – 5 % der Investition6)
anschlusskosten zzgl. Transformatoren und Netz zzgl. Transformatoren und jährliche Kosten: 2 – 2,5 % der Investition
jährliche Kosten: 2 – 2,5 % der anschlusskosten Netzanschlusskosten
Investition jährliche Kosten: 2 – 2,5 % der jährliche Kosten: 2 – 2,5 % der
Investition Investition
Technische Reife Serienreife Serienreife Kleinserienreife BSZ-Hybrid: Kleinserien- bis Serienreife Serienreife
BZS-REX: Prototypen
1) a bhängig von Verkehrsverhältnissen, 4) gegenüber Dieselbusbetrieb inkl. Energie-,
Fahrgastnachfrage und Höhenprofil Wartungs- und Instandhaltungskosten
2) gegenüber Dieselbusbetrieb unter der Annahme 5) gegenüber Dieselbusbetrieb
von gleicher Verfügbarkeit
6) abhängig von abgeschlossenem Servicevertrag
3) Platzbedarf kann zu Stellplatzverlusten führen
7) k. a. D. = keine ausreichende Datengrundlage44
8 Nützliche Links
https://www.starterset-elektromobilität.de
Projektübersicht 2019/2020 Zero Emission Busse in Deutschland
Förderübersicht Busse im ÖPNV (2019)
Marktübersicht Fahrzeuge und Infrastruktur
Einführung von Wasserstoffbussen im ÖPNV
Richtlinie des Europäischen Parlaments und des Rates zur
Änderung der Richtlinie 2009/33/EG über die Förderung
sauberer und energieeffizienter Straßenfahrzeuge (Clean
Vehicles Directive) vom 20.06.2019DC-Zwischenkreis
DC-Zw
400 VAC
24 VDCSie können auch lesen
