Hybridbusse für einen umweltfreundlichen ÖPNV

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1 Dipl.-Ing. Leif-Erik EikSchulte / IFM (IG I /5) FKZ 16EM0074 Begleitendes Prüfprogramm im Rahmen des Fördervorhabens Hybridbusse für einen umweltfreundlichen ÖPNV BbA Dr. Bruns & Fetzer Unternehmensberatung GmbH 1

2 Inhalte Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) fördert im Rahmen eines Markteinführungsprogramms die Beschaffung von Hybridbussen durch Verkehrsbetriebe im ÖPNV. Die Förderung wird mit der Einhaltung anspruchsvoller Umweltstandards und Leistungsdaten verknüpft. So müssen die Hybridbusse technische Mindeststandards erfüllen, deren Nachweis anhand von Prüfstands- und / oder Referenzmessungen, auch innerhalb des Begleitprogramms, zu erfolgen hat. Darüber hinaus sollen die Betriebskosten und das Betriebsverhalten der Hybridbusse untersucht werden. Hierzu zählen z.b. Zuverlässigkeitsanalysen, Reichweitenbetrachtungen, generelle Aussagen zur Anwendbarkeit hybrider Busskon- zepte sowie Akzeptanzanalysen bei Fahrern und Fahrgästen. 2

3 Technische Förderkriterien / Mindeststandards -Die CO 2 -Emissionen werden um mindestens 20% gegenüber einem vergleichbaren Linienbus ohne Hybridtechnologie reduziert (gemessen im Braunschweig-Zyklus ). - Die Busse sind mit einem geschlossenen (wall-flow) Partikelfiltersystem ausgestattet. Die Partikelemissionen (PM) entsprechen dem EEV-Standard von 0,02 g/kwh, nachgewiesen im ESC- und ETC- Fahrzyklus nach 2005/55/EG. - Es müssen Abgasnachbehandlungsmaßnahmen ergriffen werden, so daß die Stickoxidemissionen (NO X ) den EEV-Standard von 2 g/kwh, nach- gewiesen im ESC- und detc- Fahrzyklus nach 2005/55/EG, /EG unterschreiten. - Die Geräuschemissionen betragen maximal 75 db(a) bei einer Motor- leistung 150 kw bzw. 77 db(a) bei einer Motorleistung t > 150 kw. Daneben müssen die Fahrzeuge so ausgestattet sein, dass eine Reduzierung des Innenraumgeräusches erreicht wird. 3

4 Arbeitspakete (AP) Auftraggeber Bundesministerium i i für Umwelt, Naturschutz t und Reaktorsicherheit h it Projektträger VDI/VDE Innovation + Technik GmbH, Berlin Auftragnehmer AP 1 AP 2 Ermittlung der CO 2 -Emissionen der Hybridbusse und TÜV NORD Mobilität GmbH & Co. KG - Institut für Fahrzeugtechnik der herkömmlichen Standardbusse (Referenzbusse) und Mobilität, Essen, Emitec Produktion GmbH, Prüfzentrum Eisenach, Überprüfung der Funktion der Abgasnachbehandlung Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI, Dresden AP 3 Überprüfung der Geräuschemissionen TÜV NORD Mobilität GmbH & Co. KG - Institut für Fahrzeugtechnik und Mobilität, Institut für Kraftfahrzeuge (ika), RWTH Aachen University AP 4 AP 5 Ermittlung der Kosten im Linienbetrieb pro Kilometer Bewertung der Inbetriebnahme und des Linienbetriebes der Hybridbus-Kleinflotten BbA - Dr. Bruns & Fetzer Unternehmensberatung GmbH, Hamburg VCDB VerkehrsConsult Dresden-Berlin GmbH PE INTERNATIONAL AG, Leinfelden-Echterdingen VCDB VerkehrsConsult Dresden-Berlin GmbH, Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI AP 6 Lösungsvorschläge und Optimierung BbA - Dr. Bruns & Fetzer Unternehmensberatung GmbH, PE INTERNATIONAL AG, VCDB VerkehrsConsult Dresden-Berlin GmbH, Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI Beirat Wissensch. Beratung bei CO 2 - u. Abgasmessungen Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik, TU Graz Wissensch. Beratung bei Geräuschmessungen Institut für Kraftfahrzeuge (ika), RWTH Aachen University 4

5 AP 1 - Ermittlung der CO 2 -Emissionen der Hybridbusse und der herkömmlichen Standardbusse (Referenzbusse) Solaris Hybrid: Solaris Urbino 18 Allison Hybrid mit Nickel Metallhydrid-Batterie (NiMH) / Cummins Diesel EEV 181kW Diesel (SCR + DPF) / 2x 75kW elektr. Fahrmotoren Referenz Diesel: Solaris Urbino 18 Cummins Diesel EEV 228kW / SCR + DPF Hess Hybrid: Hess Hybrid mit Vossloh-Kiepe Hybrid (Super-Caps); Kirsch Stromerzeuger / IVECO Diesel EEV 220kW Diesel (SCR+DPF) / 2x 100kW elektr. Fahrmotoren Referenz Diesel: Solaris Urbino 18 Cummins Diesel EEV 228kW / SCR + DPF MAN Hybrid: Lion s City Hybrid mit MAN (Siemens) Hybrid (Ultracaps) / MAN Diesel EEV 184kW Diesel (DPF) / 2x 75kW elektr. Fahrmotoren Referenz Diesel: MAN Lion`s City Diesel EEV kw / DPF 5

6 AP 1 - Ermittlung der CO 2 -Emissionen der Hybridbusse und der herkömmlichen Standardbusse (Referenzbusse) - Vermessung der Fahrzeuge (Hybrid / Diesel-Referenz) im Braunschweig- Zyklus, alternativ SORT-Zyklen (sollte Braunschweig-Zyklus nicht anwendbar sein). - Für beide Bewertungszyklen ( Braunschweig-Zyklus und SORT- Zyklen) gilt, dass zur Bewertung des Einsparpotenzials jeweils so viele Messungen durchgeführt werden, bis bei drei aufeinanderfolgenden Zyklen eine Abweichung von maximal 2% im CO 2 -Wert zu beobachten b ist. - Vermessung auf dem Rollenprüfstand der Firma Emitec in Eisenach. - Vorab Ausrollversuche (Hybrid / Diesel-Referenz) zur Bestimmung der Rollenlasteinstellung notwendig (Testgelände). - Definierte BMU Randbedingungen sind für die Messungen bzw. Rollen- Einstellungen einzuhalten. 6

7 AP 1 - Ermittlung der CO 2 -Emissionen der Hybridbusse und der herkömmlichen Standardbusse (Referenzbusse) - Fahrleistung: mindestens km -Tankfüllung mindestens: 50 % - Teilbeladung entspricht 50% der maximalen Zuladung, d.h. - Solobus: kg - Gelenkbus: kg - Ausstattung mit einer Klimaanlage - Nebenaggregate: - Klimaanlage, Heizung, Lüftung, Beleuchtung und kneeling sind ausgeschaltet - Türen Solobus: 2 Doppeltüren - Türen Gelenkbus: 3 Doppeltüren 7

8 Stadtbus-Zyklus / Braunschweig -Zyklus (TU Braunschweig 1975) - Fahrprofil 8

9 Stadtbus-Zyklus / Braunschweig -Zyklus (TU Braunschweig 1975) - Ableitung 9

10 Stadtbus-Zyklus / Braunschweig -Zyklus (TU Braunschweig 1975) - Beschleunigungen / Verzögerung 10

11 Stadtbus-Zyklus / Braunschweig-Zyklus (TU Braunschweig 1975) - statistische Grundlagen - Befragung von neun VÖV Betrieben in Städten mit mehr als Einw. - Auswertung der Daten zzgl. Aufnahme von Messdaten zur Erarbeitung eines Stadtbus-Zyklus Kenngröße arithm. Mittelwert Linienlänge 10,9 km Haltestellen inkl. Endhalt 17,6 mittl. Haltestellenabstand 6174m 617,4 Reisedauer 28 min mittl. Geschwindigkeit 31,1 km/h Reisegeschwindigkeit inkl. Stopps 23,4 km/h => Anpassung der U.S. FTP 72 / 75 Zyklen (PKW) durch Einführung von Haltestellen, Stopps (16 Haltestellen, 12 verkehrsbedingte Stopps) und zusätzlichen Fahrtanteilen (aus dem FTP-Profil). 11

12 Stadtbus-Zyklus / Braunschweig -Zyklus (TU Braunschweig 1975) - statistische Grundlagen - Vergleich der arithmetischen Mittelwerte Kenngröße VÖV Umfrage Stadtbuszyklus Abweichung Fahrtstrecke m m -0,31% Fahrdauer 1262 sec (21 min) 1298 sec (21,6 +2,9% mittl. Haltestellenabstand 617,4 m 639,1 m +3,5% mittl. Fahrgeschwindigkeit 31,1 km/h 30,1 km/h -3,2% Reiseschnitt inkl. Stopps 23,4 km/h 22,5 km/h -4,0% 12

13 Ausrollversuch / Coast-Down-Messung zur Bestimmung der Fahrwiderstandskurve (Beispiel) day 1 day 2 driving re esistance total [N] vehicle speed [km/h]

14 Ausrollversuch / Coast-Down-Messung zur Bestimmung der Fahrwiderstandskurve (Testgelände notwendig) ca. 5,55 km zb z.b. ATP Papenburg 14

15 Antriebs -und Bremskräfte am 18m Bus / Straßenfahrt F Antrieb F Antrieb F Brems, mech. F Brems, mech. F Brems, mech. F Brems, elektr. F Brems, elektr. 15

16 Antriebs -und Bremskräfte am 18m Bus / Rollenprüfstand x F Antrieb F Antrieb F F Brems, mech. F Brems, mech. F Brems, mech. F Brems, elektr. F Brems, elektr. F Brems, elektr. 16

17 Bremsenergiekorrektur Rollenprüfstand Wird die mechanische Betriebsbremse parallel zur elektrischen Bremse betrieben (Rekuperation), wird die von nicht rollenden Achsen im realen Betrieb aufgebrachte Bremskraft eventuell zusätzlich über die Antriebsachse(n) rekuperiert, d.h. es wird zu viel Bremsenergie rückgewonnen (positiver Effekt für Hybriden). Dieser Effekt wird durch die auf dem Rollenprüfstand nicht vorhandene Verschiebung der Achslastverteilung beim Bremsen in Richtung Vorderachse nochmals, wenn auch in nur geringem Maß verstärkt, da die Antriebsachse(n) nicht entlastet wird (werden) und somit geringerer Schlupf entsteht. Wird jedoch zunächst bis zum gegebenen Maximum rekuperiert und dann die mechanische Betriebsbremse zusätzlich angesprochen, kann keine zu- sätzliche Bremsenergie zurückgewonnen werden, da bereits maximal rekuperiert wird. 17

18 Beurteilung des Ladezustandes des Energiespeicher - Δ SoC State of Charge ( E Batt - Differenz im Ladezustand) zu Begin / zum Ende eines Messzyklus. -Ist EBatt 0 muss ein Korrekturfaktor bestimmt werden E Batt = ΔE Storage = (W in -W out )*Eta = [Eta lade * (U*I*t) in Eta entlade * (U*I*t) out ] E batt = Differenz im Ladezustand W in W out = eingespeicherte Arbeit = entnommene Arbeit Eta = Wirkungsrad Betrachtung des Lade- / Entladeverhaltens über den Zyklus zur Abschätzung notwendiger Korrekturen. 18

19 AP 2 - Überprüfung der Funktion der Abgasnachbehandlung Durch eine Referenzmessung soll die Funktion der Abgasnachbehandlung dokumentiert werden, um so bei eventuellen wiederkehrenden Messungen zu einem späteren Zeitpunkt, Aussagen zum Abgas-Emissionsverhalten der Fahrzeuge in Abhängigkeit von der Laufzeit zu ermöglichen. Für solche Messungen wurde in einem früheren BMU / UBA Forschungsvorhaben in Zusammenarbeit mit verschiedenen Fahrzeugherstellern ein entsprechender Prüfablauf für den Rollenprüfstand erarbeitet. 19

20 AP 2 - Überprüfung der Funktion der Abgasnachbehandlung Fahrzeugvorbereitung Fahrzeugkonditionierung Messpunkt 1 (1700 1/min, Volllast) oder korrespondierende Geschwindigkeit Messung der limitierten Abgaskomponenten ja nein Öltemp. >90 C 5 Min. Leerlauf Messpunkt 2 (Leerlauf) oder korrespondierende Geschwindigkeit it Messung der limitierten Abgaskomponenten Messpunkt 3 (1700 1/min, Volllast) oder korrespondierende Geschwindigkeit Messung der limitierten Abgaskomponenten Ende 20

21 AP 3 - Überprüfung der Geräuschemissionen - Anfahren / Abfahren Haltestelle - Vorbeifahrt mit konstanter Geschwindigkeit bei 30, 40, 50, 60 km/h - Typprüfwert gem. ECE (R.51), Anhang 3 und 10 (alt / neu) - Standgeräusch gem. ECE (R.51) - Rundumgeräusch gem. StVZO Anlage XX - Druckluftgeräusche zusätzlich Durchführung und Analyse von akustischen und schwingungstechnischen Messungen mit Schwerpunkt im Fahrgastinnenraum. 21

22 Dipl.-Ing. Leif-Erik EikSchulte / IFM (IG I /5) FKZ 16EM0074 Begleitendes Prüfprogramm im Rahmen des Fördervorhabens Hybridbusse für einen umweltfreundlichen ÖPNV BbA Dr. Bruns & Fetzer Unternehmensberatung GmbH 22