Quo vadis Linienbusantrieb?

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1 Quo vadis Linienbusantrieb? Potenziale unterschiedlicher Antriebs-/Kraftstoffoptionen Prof. Dr. Ralph Pütz Hochschule Landshut VDV-Jahrestagung 2014 Spartentreffen Bus Berlin, 26. Mai 2014

2 Inhaltsübersicht 1. Verbrennungsmotortechnik - Diesel - Erdgas - Dual Fuel 2. Hybridtechnik 3. Elektromobilität - Brennstoffzellen - Batterien 2

3 Antriebstechnologien in der deutschen Linienbusflotte (Stand: 12/2013) 4,1 94% Dieselbusse Erdgasbusse Wasserstoffbusse Trolleybusse Hybride 3

4 Treiber für die Weiterentwicklung von Antriebssystemen bei Linienbus-Verkehrssystemen Wirtschaftlichkeit Geringe Investitions- und IH-Kosten Niedriger Kraftstoffverbrauch LCC-Optimierung der Fahrzeugkosten Umfangreiche automatisierte Diagnose Standardisierte Antriebskonzepte Ressourcenschonung Endlichkeit fossiler Energieträger Weltweit steigender Verbrauch Anstieg der Kraftstoffpreise Abhängigkeit von Kraftstoffimporten aus politisch instabilen Regionen Umweltschutz Lokale Emissionen Globale Emissionen Geräuschemissionen 4

5 5 1.Verbrennungsmotortechnik

6 Vergleich der Typprüfverfahren bis EURO V/EEV (alt) und ab EURO VI (neu) -80% NOx bezogen auf EURO V/EEV -50% PM bezogen auf EURO V/EEV zus.: Teilchenreduzierung (PN) kältere Typprüfzyklen In-Use-Compliance bis km ( ) 6

7 EURO VI: Prüfinhalte und Prüfverfahren Quelle: GRPE 7

8 Ergebnisse mit der neuesten Dieseltechnik im Stadtverkehr 8

9 9 Verwendete Messtechnik: Semtech Ecostar (Module: FID Control, FID, NO X, FEM, PDM)

10 Geschwindigkeit in [km/h] Basis für Vergleiche im schweren Stadtverkehr: Linie 17F in Wiesbaden (v Zykl =12-15 km/h) Höhe über n.n, in [m] 250 Höhenprofil Höhenprofil Zyklus 1 Höhenprofil Zyklus 4 50 v (km/h) 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 v (km/h) 10,0 5,0 0,0 0, , , ,00 Wegstrecke in [m] 8000,00 0 0, , , , ,00 Weg in [m] Topologie: Schwerer Stadtverkehr (SORT 1 bis hin zu SORT 2) 10

11 Geschwindigkeit [km/h] Basis für Vergleiche im leichten Stadtverkehr: Linie 3 in Landshut (v Zykl =17-19 km/h) Höhenmeter ,0 1000,0 3000,0 5000,0 7000,0 9000,0 zurückgelegte Strecke [m] 70,0 Höhenmeter 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0, Zeit [s] Topologie: Leichter Stadtverkehr (SORT 2) Geschwindigkeitsverlauf über die Zeit 11

12 Abgastemperatur [ C] Höhenmeter [m] Vergleich der Abgastemperaturen von EURO-V/EEV- und EURO-VI-Gelenkbus EURO VI Abgastemperatur [ C] Höhenmeter [m] Wegstrecke [m] 0 EURO V / EEV Höhenmeter [m] Abgastemperatur [ C] Pütz, R. /BELICON 2013

13 Vergleich der lokalen Emissionen von EURO-V/EEV- und EURO-VI-Gelenkbus (bei normierter Zyklusgeschwindigkeit 19 km/h) Emissionen [g/km] 8,97 0,324 3,06 0,323 12,03 0,647 0,92 0,912 14,46 13,56 0,09 0, Euro 5 Euro NO [g/km] NO2 [g/km] Nox [g/km] CO [g/km] CO2 [kg/10km] THC [g/km] 15 Pütz, R. /BELICON 2013

14 Ergebnisse mit der neuesten Dieseltechnik im Regionalverkehr 14

15 Höhe über n.n. [m] Geschwindigkeit [km/h] Basis für Vergleiche: Überland-Linie Passau- Waldkirchen und zurück Höhenprofil von Passau nach Waldkirchen Passau - Waldkirchen Geschwindigkeitsausschnitt über der Zeit (Zyklus 1) Geschwindigkeit [km/h] Zeit [s] Zeit [s] Topologie: Klassischer Überlandverkehr (34 km/h) 15

16 0,067 0,231 0,236 0,298 1,179 1,415 Vergleich der NOx-Emissionen von EURO-VI- Solobussen im Regionalverkehr ( kleine Motoren ) 1,6 Vergleich der Stickoxide am Beispiel der Zyklusgeschwindigkeit 35 km/h 1,4 1,2 1 0,8 0,6 EURO 6 -Bsp 1 EURO 6 -Bsp 2 0,4 0,2 0 NO [g/km] NO2 [g/km] NOx [g/km] 16 Pütz, R. /BELICON 2013

17 Vergleich der Abgastemperaturen und NOx- Emissionen von EURO-VI-Solobussen ( kleine Motoren ) EURO VI Bsp. 1 (nur SCR) EURO VI Bsp. 2 (SCR und AGR) 17 Pütz, R. /BELICON 2013

18 Stickoxid-Emissionsfaktoren e NOx;FZ von Solobussen im Fahrzyklus (Messwerte im Realbetrieb) EURO VI ist ein echter Quantensprung in der Reduzierung lokaler Emissionen! e NOx;FZ in g/km EEV Diesel Bsp. 1 EEV Diesel Bsp. 2 EEV Diesel Bsp.3 EURO VI Diesel Bsp. 1 EURO VI Diesel Bsp. 2 Pütz, R. /BELICON Zyklusgeschwindigkeit in km/h 18

19 Stickoxid-Emissionsfaktoren im Fahrzyklus e NOx;FZ in Abhängigkeit der Zyklusgeschwindigkeit e NOx;FZ in g/km (eigene Messungen ) EURO VI ist ein echter Quantensprung in der Reduzierung lokaler Emissionen! EEV Diesel Solo 1 EEV Diesel Solo 2 EURO VI Diesel Solo EEV Diesel Gelenk1 EEV Diesel Gelenk 2 EURO VI Diesel Gelenk Pütz, R. /BELICON Zyklusgeschwindigkeit in km/h 19

20 Erdgastechnik 20

21 Erdgasmotor-Weiterentwicklung für EURO VI 21

22 Erdgasmotor-Weiterentwicklung für EURO VI 22

23 Erdgasmotor-Weiterentwicklung für EURO VI Bis zur Stufe EURO V/EEV: Tendenziell NOx-Vorteile für CNG-Busse Ab EURO VI: CNG und Diesel auf gleichem NOx- Niveau Prinzip-bedingt tendenziell CO 2 -Nachteile für CNG-Busse Verfügbarer Lösungsansatz: Biogas, dann signifikante Vorteile! Signifikant höherer Kapitaldienst bei CNG-Bussen kann kaum durch geringere Kraftstoffkosten kompensiert werden Mit EURO VI müssten eigentlich die technik-bedingten CNG-Mehrkosten signifikant sinken. 23

24 Externe Kosten in /a Zusammenfassung der Umweltwirkungen: Systembezogene externe Kosten einer EEV-Busflotte im gesamten Lebenszyklus (kleines VU, 64 Busse, 17 a) CO2 Kraftstoffbereitstellung CO2 Busherstellung CO2 Fahrbetrieb NOx Kraftstoffbereitstellung NOx Busherstellung NOx Fahrbetrieb PM Kraftstoffbereitstellung PM Busherstellung PM Fahrbetrieb CO 2 : 30 EUR/t NO x : EUR/t PM: EUR/t EEV-Diesel, fossil EEV-CNG, fossil EEV-CNG, Biogas Pütz, R. /BELICON

25 Biogas ist nicht gleich Biogas: Gasausbeuten unterschiedlicher Substrate 25 Quelle: Schattner

26 26 Zusammensetzung von Biogas

27 27 Anforderungen an Erd-/Biogas für Fahrzeuge (ISO 15403)

28 Alternative Kraftstoffe: Potenzial, Stand: 5/2014 Lokale Emissionen Globale Emissionen Verfügbarkeit Infrastruktur -aufwand Kosten Diesel B30 PME/FAME GtL CtL BtL CBG / PtG LBG H2-Nebenprodukt H2-regener Pütz, R. /BELICON

29 Dual Fuel-Technik ( Hybridmotoren ) 29

30 Schema der äußeren Gemischbildung bei Dual- Fuel-Motoren CNG, LNG, H2 von Diesel-Pilot-Einspritzung zur Zündung bis 100% Dieselbetrieb Pütz, R. /BELICON

31 Externe Kosten in /a Umweltverhalten einer Muster-Busflotte (100 Fahrzeuge; 70 Solo- und 30 Gelenkbusse) im gesamten Lebenszyklus (systembezogene externe Kosten über 12 a) CO2 Kraftstoffbereitstellung % CO2 Busherstellung CO2 Fahrbetrieb NOx Kraftstoffbereitstellung NOx Busherstellung % NOx Fahrbetrieb PM Kraftstoffbereitstellung PM Busherstellung PM Fahrbetrieb % 34% 28% Szenario 1 (VDV- Durchschnitt, Referenz) Szenario 2 (EEV- Diesel, fossil) Szenario 3 (EURO VI-Diesel, fossil) Szenario 4 (Dual Fuel; H2,- regen. + Diesel, fossil) Szenario 5 (Dual Fuel; H2,- regen. + BtL) 31

32 2. Hybridtechnik 32

33 Potenzial der Bremsenergierekuperation (exemplarisch für η e 35%, ohne Klimatisierung) 100% / 41 l/100 km Leerlaufverluste e 35% (25 50%) Kraftstoff - Energie 2% / 0,8 l/100 km Wärmeverluste Antriebsstrang- Verluste 11 % / 4,5 l/100 km Nebenaggregate 3,5% / 1,4 l/100 km Beschleunigung, Steigung Luftwiderstand Rollwiderstand > 13,5% / > 5,5 l/100 km 0,5% / 0,2 l/100 km 4,5% / 1,8 l/100 km Fahrenergie im Zyklus 35% / 14,3 l/100 km Kühlsystem/ Abstrahlung 65% / Abgas 26,7 l/100 km 5,5 l η η 4,5 l ca. 11% 33 Quelle: Pütz, R., 2012

34 Hybrid: Einflussfaktor Funktionalitäten in Bezug auf das Kraftstoffeinsparungspotenzial 35 Mittelwerte einer Anzahl von Referenzstrecken Elektrifizierung der Nebenaggregate Automatisiertes Schaltgetriebe, adaptive Schaltprogramme 20 Start/Stopp-Funktion 15 Downsizing des Verbrennungsmotors 10 5 Bremsenergierekuperation 0 Schwerer Stadtverkehr 12 km/h Normaler Stadtverkehr 18 km/h Vorortverkehr 25 km/h 34 Quelle: Volvo, 2010

35 Hybridtechnik: Einflussfaktor Betriebsstrategie ist von entscheidender Bedeutung individuelle Betriebsstrategie Weiterentwicklung: Plug-In-Hybride 35 Quelle: Krüger, M.; Bosch, 2010

36 Von entscheidender Bedeutung für Markterfolg: Weitere Wirtschaftlichkeitsverbesserung und öffentliche Förderung Kraftstoffeinsparung in /a Hybrid-Mehrkosten (KD + IH) in /a Kraftstoffeinsparungen vs. Hybridmehrkosten in Abhängigkeit des Dieselpreises (für Solobus) % Rekuperation % Rekuperation % Rekuperation % Rekuperation Mehrkosten KP Instandhaltung Quelle: Pütz, R. 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00 2,10 Dieselpreis in /l 2,20 2,30 2,40 2,50 Mehrkosten KP Instandhaltung Mehrkosten KP Instandhaltung Mehrkosten KP Instandhaltung Annahmen: keine Fahrzeug-Förderung! Verbrauch: 42 l/100 km km/a 12 a Betrieb

37 Erwartbare mittlere Streckenverbräuche Be FZ von EEV-Linienbussen in Abhängigkeit der Zyklusgeschwindigkeit SORT 1 SORT 2 SORT 3 (für Diesel-Solobusse und fossilen Dieselkraftstoff) 65 EEV EEV-Hybrid EEV-Leichtbau (- 3 to) 55 Be FZ in l/100 km Zuladung: kg (20 Fahrgäste a 75 kg) 25 Zyklusgeschwindigkeit in km/h 37 Quelle: Pütz, R., 2011

38 Modellansatz: Marktentwicklung innovativer Technologien, angewandt auf Hybridbusse in Deutschland 237 Hybride/ Stadtbusse = ca. 1% (BMU) Quelle: Pütz, R. 2012

39 Modellansatz, wenn Elektrobustechnik die Hybridbustechnik zeitnah überholt/ablöst Hybridbusse? Elektrobusse Quelle: Pütz, R. 2012

40 3. Elektromobilität 40

41 Technologie-Wettbewerb hin zur Zielvorstellung Batterieelektromobilität : Strecken-/Betriebs- Management : Diesel, CNG, LPG, H 2 : Adaptive Schaltprogramme : Zwischenladung (Induktiv, Ultra- Caps, Oberleitung, Schwungrad) Elektromobilität = Systemansatz!!! : Speicher- Wechseltechnik 41 Pütz, R.

42 Kostenstruktur eines PEM-Brennstoffzellenstacks: nach wie vor aktuell, aber Lebensdauer steigt 42 Quelle: Siemens, 2002

43 Energieverbrauchsmessung an einem Batteriebus 43 Pütz, R. /BELICON 2013

44 Heizleistungsbedarf eines Omnibusses Heizleistung aus dem limitierten Energievorrat der Batterie! 44 Quelle: Spheros, 2014

45 Außengeräusch bei Haltestellenanfahrt: A-bewerteter Summenpegel Vorteile für E-Busse 45 Pütz, R. /BELICON 2014

46 Umweltverhalten einer Muster-Busflotte (100 Fahrzeuge; 70 Solo- und 30 Gelenkbusse) im gesamten Lebenszyklus (systembezogene externe Kosten über 12 a) Externe Kosten in /a CO2 Kraftstoffbereitstellung CO2 Busherstellung CO2 Fahrbetrieb NOx Kraftstoffbereitstellung NOx Busherstellung NOx Fahrbetrieb PM Kraftstoffbereitstellung PM Busherstellung PM Fahrbetrieb 0 Szenario 1 (VDV- Durchschnitt, Referenz) Szenario 2 (EEV- Diesel, fossil) Szenario 3 (EURO VI-Diesel, fossil) Szenario 4 (Batteriebus, fossil) Szenario 5 (Batteriebus, regenerativ) 46

47 Prognose der Total Cost of Ownership im Zeitraum